Prepare-se para um choque (elétrico e científico): pela primeira vez, físicos desafiaram a primeira lei da termodinâmica – e o impossível aconteceu mesmo… em laboratório! Ciência ou ficção? Talvez um pouco dos dois, mas já vamos aterrissar juntos nessa aventura pelo universo dos plasmas superaquecidos.
Como começou esse rompimento de fronteiras?
O Center for KINETIC Plasma Physics da Universidade da Virgínia Ocidental trouxe notícias que fariam até Einstein coçar a cabeça (ou a língua)! Uma equipe do centro conseguiu, pela primeira vez, ir além de um limite imposto pela clássica primeira lei da termodinâmica. Em vez de aceitar os limites tradicionais, eles estudaram as conversões de energia que rolam em plasmas espaciais superaquecidos – material altamente carregado, que está bem longe de qualquer zona de conforto do equilíbrio físico.
O professor Paul Cassak, diretor associado do centro, explica de forma didática, quase com cheiro de bexiga de aniversário: imagine que você esquente um balão. A primeira lei da termodinâmica prevê exatamente quanto ele vai expandir e quanto o gás dentro esquenta – sempre levando em conta que a quantidade total de energia é exatamente a mesma fornecida ao balão. Literalmente, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma – e não, Lavoisier não escreveu esse artigo.
A lei, seus limites clássicos e um universo fora de equilíbrio
Desde 1850, a primeira lei da termodinâmica descreve com precisão centenas de sistemas físicos. Segundo Cassak, ela é “um dos pilares da física”. Só tem um porém: ela só vale para sistemas que estão em equilíbrio – ou beeeem próximos disso – e nos quais conseguimos definir, direitinho, uma temperatura. O problema é que uma parte enorme da física moderna lida justamente com sistemas fora de equilíbrio, que desafiam essa definição limpinha de temperatura. E aí, como faz?
É aqui que entram os plasmas espaciais. Compostos de partículas carregadas, esses sistemas estão em toda parte do universo e são, com frequência, exemplos supremos de coisas longe do equilíbrio. Os pesquisadores destacam que os plasmas fraca ou não colisionais normalmente fogem do que se chama de equilíbrio termodinâmico local, o que faz da conversão de energia nesses sistemas um desafio dos grandes na sala de aula, na pesquisa e na ficção científica.
O experimento PHASMA: mundos em três dimensões e cálculos de papel e lápis
Cassak e seu colega Hasan Barbhuiya mergulharam fundo nesse mistério cósmico. Como? Através do experimento PHASMA (PHAse Space MApping), onde plasmas são criados em laboratório especificamente para refletir as características-chave dos que encontramos naturalmente no espaço. A experiência busca medir em três dimensões as funções de distribuição de velocidade de íons e elétrons em escalas cinéticas. A partir daí, dá para calcular densidade, fluxo médio e temperatura de cada espécie – é quase como fotografar o plasma de todos os ângulos possíveis em 3D!
Com tanto dado na mão, eles foram além do tradicional. Até hoje, os cálculos só consideravam as mudanças na energia térmica interna e na densidade desses sistemas. A nova teoria dos dois pesquisadores abriu a porta para um modo de calcular toda a energia que surge do fato de o sistema não estar em equilíbrio. “Fizemos um cálculo no papel para encontrar a quantidade de energia associada à matéria fora de equilíbrio, e isso funciona tanto para sistemas próximos quanto distantes do equilíbrio”, contou Cassak empolgado.
- Cálculo da energia associada a todos os momentos de ordem superior da densidade no espaço de fases.
- Generalização da primeira lei para sistemas longe do equilíbrio termodinâmico.
- Aporte direto para situações realíssimas do universo (e de indústrias por aqui!).
Por que esse feito vale muitos foguetes?
Duncan Lorimer, professor e presidente interino do Departamento de Física e Astronomia da Universidade da Virgínia Ocidental, lembra com ênfase: as grandes leis da física podem caber nos dedos das mãos. Temos as leis de Newton, o eletromagnetismo, as três da termodinâmica e as da mecânica quântica. “Pegar uma dessas leis, com mais de 150 anos de existência, e melhorá-la é uma realização enorme”, afirma.
A utilidade do novo modelo não para por aí. Sendo a primeira lei da termodinâmica aplicada em inúmeros campos, as aplicações potenciais são vastas. A teoria pode ser usada para estudar plasmas de baixa temperatura – fundamentais para processos industriais como:
- Deposição de materiais
- Gravação
- Tratamentos de superfície de metais
- Dopagem de semicondutores via implantação iônica
E mais: há potencial também nas pesquisas sobre fusão nuclear.
No campo astronômico, esses resultados alimentam esperanças de aprofundar o estudo sobre:
- Evolução das galáxias ao longo do tempo
- Compreensão do plasma emitido em tempestades solares
- Melhoria nas previsões do clima espacial
“Esperamos que cientistas de várias áreas possam usar nossos resultados”, diz Barbhuiya.
Resumo final? Esses pesquisadores deram um passo corajoso: pegaram um dos dogmas mais sagrados da física, sacudiram o pó e mostraram que, com muita matemática, criatividade e um laboratório diferenciado, as leis do universo podem, sim, ser reinventadas. Fica a dica: não subestime um físico munido de papel, lápis e um plasma nervoso em laboratório!
