(Phys.org) - Em 1912, o químico Walther Nernst propôs que resfriar um objeto até o zero absoluto é impossível com uma quantidade finita de tempo e recursos. Hoje essa ideia, chamado de princípio de inatingibilidade, é a versão mais amplamente aceita da terceira lei da termodinâmica - embora até agora não tenha sido provada a partir dos primeiros princípios.

Agora, pela primeira vez, os físicos Lluís Masanes e Jonathan Oppenheim do University College of London derivaram a terceira lei da termodinâmica dos primeiros princípios. Depois de mais de 100 anos, o resultado finalmente coloca a terceira lei no mesmo pé que a primeira e a segunda leis da termodinâmica, ambos já provados.

"O objetivo da física fundamental é derivar todas as leis da natureza e descrever todos os fenômenos assumindo apenas um pequeno conjunto de princípios (como a mecânica quântica, o modelo padrão da física de partículas, etc.), "Masanes disse Phys.org . "E é isso que fazemos. Além disso, esta derivação revela as fortes conexões entre as limitações de resfriamento, a positividade da capacidade de calor, a reversibilidade da dinâmica microscópica, etc. Pessoalmente, Adoro que toda a termodinâmica (incluindo a terceira lei) tenha derivado de princípios mais fundamentais. "

Para provar a terceira lei, os físicos usaram idéias da ciência da computação e da teoria da informação quântica. Lá, um problema comum é determinar a quantidade de recursos necessários para executar uma determinada tarefa. Quando aplicado ao resfriamento, a questão é quanto trabalho deve ser feito e quão grande deve ser o reservatório de resfriamento para resfriar um objeto a zero absoluto (0 Kelvin, -273,15 ° C, ou -459,67 ° F)?

Os físicos mostraram que resfriar um sistema até o zero absoluto requer uma quantidade infinita de trabalho ou um reservatório infinito. Esta descoberta está de acordo com a explicação física amplamente aceita da inatingibilidade do zero absoluto:À medida que a temperatura se aproxima de zero, a entropia (desordem) do sistema se aproxima de zero, e não é possível preparar um sistema em estado de entropia zero em um número finito de etapas.

O novo resultado levou os físicos a uma segunda pergunta:se não podemos chegar ao zero absoluto, então, quão perto podemos chegar (com tempo e recursos finitos)? Acontece que a resposta está mais próxima do que se poderia esperar. Os cientistas mostraram que temperaturas mais baixas podem ser obtidas com apenas um modesto aumento de recursos. No entanto, eles também mostraram que há limites aqui, também. Por exemplo, um sistema não pode ser resfriado exponencialmente rapidamente, uma vez que isso resultaria em uma capacidade de calor negativa, o que é uma impossibilidade física.

Um dos recursos interessantes da nova prova é que ela se aplica não apenas a grandes, sistemas clássicos (com os quais a termodinâmica tradicional geralmente lida), mas também para sistemas quânticos e para qualquer tipo concebível de processo de resfriamento.

Por esta razão, os resultados têm implicações teóricas generalizadas. O resfriamento a temperaturas muito baixas é um componente-chave em muitas tecnologias, como computadores quânticos, simulações quânticas, e medições de alta precisão. Entender o que é necessário para chegar perto do zero absoluto pode ajudar a orientar o desenvolvimento e a otimização de futuros protocolos de resfriamento para essas aplicações.

"Agora que entendemos melhor as limitações do resfriamento, Eu gostaria de otimizar os métodos de resfriamento existentes ou criar novos, "Masanes disse.

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