GEDANKENEXPERIMENT: O Zero Absoluto

Gás Ideal

Em Física costuma-se utilizar um modelo teórico como forma de tornar os problemas mais simples para sua resolução e, em um momento posterior, se necessário, adequá-lo as condições reais. Você já deve ter visto no enunciado de um exercício a expressão "considere uma vaca um ponto material" (sempre que as dimensões do corpo em movimento puderem ser desprezadas, dizemos que o corpo se comporta como um ponto material, ou seja, é uma idealização).

Um gás ideal (ou gás perfeito) é um modelo teórico cujo comportamento é muito próximo de um gás real. Quanto menor for a pressão e maior for a temperatura, melhor será essa aproximação.

Para um gás ideal admitimos que:

as moléculas movem-se desordenadamente, havendo a cada instante um grande número e moléculas movendo-se em todas as direções;
as moléculas não exercem ação mútua (isto é, não exercem forças umas sobre as outras), a não ser durante as eventuais colisões;
as moléculas chocam-se elasticamente (não perdem energia nos choques) umas com as outras e com as paredes do recipiente.

Entre os séculos XVII e o XIX verificou-se experimentalmente que vários gases tinham um comportamento térmico semelhante. Dentre os cientistas que estabeleceram as regras para o comportamento dos gases perfeitos podemos citar: Robert Boyle, Jacques Charles, Louis Joseph Gay-Lussac e Paul Emile Clapeyron (respectivamente na figura abaixo).

A Escala Kelvin

Pressão X Temperatura

Dentre as experiências realizadas uma delas consistiu em observar a variação da pressão de um gás em função da temperatura, mantendo constante o seu volume.

Quando aumentamos a temperatura o gás expande, desta forma a pressão do recipiente aumenta pois os choques das partículas com as paredes do recipiente (pressão é uma força aplicada sobre uma área) são mais intensas. Quando diminuímos a temperatura o gás contrai e a pressão diminui.

Se fizermos um gráfico da pressão (P) em função da temperatura (T) obteremos o seguinte resultado:

Usando-se quantidades diferentes de gases diferentes, obtêm-se retas de inclinações diferentes, como mostrado na figura (V3 > V2 > V1).

Observe que se prolongarmos o gráfico (extrapolação) até o ponto em que esta cruzaria com o eixo da temperatura, ou seja, o ponto em que a pressão supostamente se anularia, obteríamos o valor de - 273,15 °C.

O que os cientistas da época teriam imaginado para o significado dessa pressão nula?

Volume X Temperatura

Agora imaginemos um experimento em que faremos variar a temperatura de uma certa quantidade de gás fazendo variar sua temperatura, desta forma manteremos a pressão constante.

Quando aumentamos a temperatura o gás se expande, assim seu volume aumenta. Quando diminuímos a temperatura o gás contrai, diminuindo seu volume.

Se fizermos um gráfico do volume (V) em função da temperatura (T) obteremos o seguinte resultado:

Usando-se o mesmo gás, porém a diferentes pressões, obtêm-se retas de inclinações diferentes, como mostrado na figura (P3 > P2 > P1).

Do mesmo modo que fizemos no gráfico Pressão X Temperatura se prolongarmos a reta recuando até a mesma encontrar o eixo da temperatura, obteríamos o mesmo valor de - 273,15 ºC, este ponto indicaria um volume nulo. Mas se o gás contido no recipiente possui massa, como pode ter volume nulo?

Conclusões

Quanto à primeira questão levantada " O que os cientistas da época teriam imaginado para o significado dessa pressão nula?", a explicação foi a seguinte: com a diminuição da temperatura, as moléculas do gás possuem cada vez menos energia cinética, assim há a redução das colisões das moléculas com as paredes do recipiente e consequentemente diminuindo a pressão. Quando o gás chegasse à temperatura de - 273,15 ºC, as moléculas do gás estariam em completo repouso, não exercendo pressão alguma.

Perceba que isso é um problema teórico pois jamais as moléculas de qualquer gás em um recipiente estarão completamente paradas, sempre haverá um mínimo de movimento (mesmo o movimento dos elétrons ao redor do núcleo atômico).

Quanto à segunda questão "Mas se o gás contido no recipiente possui massa, como pode ter volume nulo?", da mesma maneira é um problema teórico. Como o gás possui massa e, assim. ocupa lugar no espaço, jamais terá volume nulo. Não é o volume que se anula nessa temperatura, mas sim a energia cinética de suas moléculas.

Deste modo, William Thomson (1824 - 1907), o lorde Kelvin, utilizou estas ideias e propôs, em 1848, uma nova escala termométrica, que foi chamada de escala Kelvin ou escala absoluta, estabelecendo a menor temperatura possível para um sistema, que denominou zero absoluto.

A escala Kelvin é a escala oficial do Sistema Internacional de Unidades, e o kelvin é uma das sete unidades base do SI. Na 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, realizada em 1967, adotou o nome kelvin (cujo símbolo é K) em lugar de "grau kelvin".

Observação: nos exercícios costuma-se aproximar: 273,15 ≈ 273.