Atualizando a descrição do blog: Tive a intenção de criar este blog para divulgar conceitos, fatos históricos, curiosidades e outros temas sobre a grande ciência física. Existem muitos outros blogs sobre o assunto, mas a minha intenção principal é tentar escrever sobre assuntos de física vistos na graduação ou de pesquisa física para o público geral. Minhas ideias sobre temas para as colunas surgem de textos e artigos que vou lendo ao longo do meu trabalho acadêmico. Discussões são sempre bem vindas!
Abraço a todos!

sábado, 15 de julho de 2017

Um Pouco sobre a Evolução e Revolução da Termodinâmica (Clássica e Quântica)

Neste texto iremos discutir um pouco sobre a história termodinâmica e sua transição para a ciência termodinâmica que está sendo desenvolvida hoje nas universidades e com muitas aplicações práticas. Em breve um vídeo sobre o assunto. As referências estão no fim do texto.

A termodinâmica clássica foi desenvolvida basicamente na segunda metade do século 19 por pessoas interessadas no benefício em se converter uma quantidade de calor em trabalho útil para diversos propósitos na sociedade. Um dos principais e mais fundamentais exemplos de aplicação desta então nova teoria é a máquina a vapor, que usa uma fonte quente (queima do carvão) uma fonte fria (o ar), e um fluido (o valor de água), para converter calor em trabalho e assim movimentar, por exemplo, uma locomotiva.

Experimentalmente verificou-se que nem todo calor poderia ser convertido em trabalho, o que foi acompanhado de três leis descrevendo princípios fundamentais da termodinâmica clássica, como a conservação da energia e a impossibilidade de converter todo calor em trabalho durante um ciclo termodinâmico, além de outras características da teoria.

Um dos resultados mais importantes neste sentido foi obtido por Carnot, responsável por mostrar que para um ciclo termodinâmico realizado de forma consideravelmente lenta, a eficiência de uma máquina térmica depende apenas das temperaturas das fontes quente e fria envolvidas no mecanismo. O resultado de Carnot é geral, ou seja, não depende do fluido usado na máquina e representa e representa a máxima eficiência que qualquer máquina pode atingir operando entre as mesmas temperaturas Tquente e Tfrio, ou seja

Rendimento  = Trabalho Realizado / Calor Fornecido = 1 - Tquente/Tfrio

Além deste importante fato sobre o limite das máquinas térmicas, o estudo da termodinâmica pôde caracterizar uma infinidade de sistemas termodinâmicos, como gases e líquidos, por meio de várias grandezas físicas definidas com este propósitos. Entre elas, temos: Energia Interna de um sistema, Energia Livre de Gibbs, Energia Livre Helmoltz, Entalpia, Capacidade Térmica a Volume Constante ou a Pressão Constante, entre outras grandezas.

Estas quantidades são muito úteis para caracterizar substâncias macroscópicas, ou seja, tratando um sistema físico de forma estatística e calculando a média desses valores, e não olhando molécula por molécula em um gás, por exemplo, algo que seria impossível dado a quantidade de moléculas ou átomos existente em um gás.

Além do desenvolvimento da termodinâmica clássica que vinha decorrendo ao longo dos anos desde sua fundamentação, no começo do século passado descobriu-se que a física existente a nível atômico é radicalmente diferente da física clássica como a conhecemos, dando início então à teoria quântica. Isso resultou na criação de uma outra área de pesquisa, chamada física de partículas, cujo objetivo é entender o por que a matéria é como é de um ponto vista fundamental e não apenas fenomenológico. Com isso, levantou-se um questionamento sobre a termodinâmica clássica ser uma teoria subjetiva e dependente do nosso grau de conhecimento sobre o sistema físico de estudo, e não uma teoria fundamental. Isso é parcialmente devido ao fato de a termodinâmica ter surgido baseando-se fortemente em experimentos. A favor deste argumento estava o famoso físico Maxwell.

Já em anos recentes, com formulações teóricas envolvendo a teoria quântica no contexto da termodinâmica, uma nova área de pesquisa surgiu, denominada Termodinâmica Quântica onde sistemas termodinâmicos passaram a ser criados com 5, 4, ou mesmo um único átomo. Os resultados neste novo setor da física mostram que muitos fatos resultantes da termodinâmica clássica não são válidos quando se cria, por exemplo, uma máquina térmica com apenas um átomo. Por exemplo, o conceito de Calor e Trabalho precisam ser completamente redefinidos.

Um dos resultados mais impactantes neste contexto foi que uma máquina térmica operando exclusivamente no regime quântico pode superar o rendimento de Carnot. Este fato deixou alguns físicos atônitos na época, mas a maior parte da  comunidade científica hoje em dia já entendeu o que de fato ocorre no regime quântico. O fato é que para isso, é necessário considerar não apenas o fluido da máquina térmica como sendo quântico, mas também os reservatórios quente e frios envolvidos. Este último fato não era previsto pelo Carnot na época e por isso o limite clássico não pode ser aplicado a uma situação quântica. 

Após muitos e muitos anos de avanço, a termodinâmica tem-se mostrado uma ciência muito importante e um palco onde muitas implicações da física podem ser testadas e entrelaçadas. Muito recentemente foi mostrado que há uma relação entre teoria de informação e termodinâmica. Embora a ideia original não seja nova, só recentemente está sendo possível realizar experimentos neste nível escala, o que, certamente nos próximos anos, relevará ser de fundamental importância para compreendermos ainda melhor a natureza e seu comportamento desde escalas macroscópicas até escalas atômicas.

Referências:

1. https://www.quantamagazine.org/the-quantum-thermodynamics-revolution-20170502/

2. https://phys.org/news/2015-10-quantum-thermodynamics.html

terça-feira, 25 de abril de 2017

Livro - A Ordenação da Realidade

Neste texto vamos comentar um pouco sobre o livro A Ordenação da Realidade, escrito pelo físico Werner Heisenberg durante os anos da segunda guerra mundial e publicado somente em 1984.


O livro, publicado no Brasil pela editora Forense Universitária, apresenta um conjunto amplo de discussões e reflexões filosóficas de um Heisenberg muito mais maduro tanto como cientista quanto como cidadão alemão em um contexto muito complexo, uma vez que Heisenberg foi um dos únicos físicos de ponta da época que decidiu permanecer na Alemanha durante a segunda guerra mundial.

Antes do inicio do manuscrito propriamente dito, o livro traz uma apresentação bem detalhada sobre o conteúdo do livro, o qual possui uma escrita complexa. Esta introdução é feita por Fábio Antônio da Costa e Antônio Augusto Passos Videira, ambos da Universidade Estadual do Rio de Janeiro

O Livro

A primeira parte do livro é voltada a explicar o que Heisenberg entende por realidade e o que ele define por diversas regiões da realidade. Aqui e durante o tempo todo Heisenberg deixa claro o fato da realidade ser função direta da observação, no sentido amplo da palavra.

A segunda parte é dedicada a explorar as diversas regiões da realidade, bem como as conexões entre elas. Nesta parte Heisenberg adentra os mais diferentes campos da ciência, como a Física, a vida orgânica e a consciência.

Em todo o texto, em todos os campos, Heisenberg tenta organizar as mais diferentes teorias como formas de realidades inferiores ou superiores, apresentando suas conexões.

É um livro muito interessante, mas que deve ser lido com calma e atenção. Além disso, é um livro mais de filosofia da ciência do que propriamente sobre física, indicado a qualquer pessoa de qualquer curso, pois abrange uma discussão sobre muitos setores da ciência.

Se alguém leu o livro, poste aqui seu comentário!

Abraços!

quinta-feira, 13 de abril de 2017

O Efeito Compton

 Neste texto falaremos sobre mais um efeito que deixa evidente a característica quântica em sistemas físicos, ou melhor, que mostra explicitamente a chamada dualidade onda-partícula. Comentaremos a respeito do efeito Compton.

Antes de introduzirmos o efeito de um ponto de vista histórico, vale a pena ressaltarmos dois outros efeitos em que a dualidade onda-partícula começa a ficar evidente. Primeiro, a radiação de corpo negro (a ser comentada ainda neste blog) mostra que a radiação emitida por corpos é quantizada, emitida em quantidades discretas e não contínua, como se acreditava. E, em segundo, o efeito fotoelétrico deixa claro que uma explicação satisfatória para o experimento é apenas obtida se a energia transferida à matéria também é quantizada. Em termos históricos, a explicação do efeito fotoelétrico foi a primeira a sugerir que a energia era quantizada e, naquela época, muitos físicos importantes achavam que tal explicação era apenas provisória e que em um futuro não distante uma explicação segundo os preceitos tradicionais da física seria dada. Dentre tais físicos, destaca-se o próprio Compton.

Em 1923, Arthur Holly Compton, físico americano, investigou sistematicamente o espalhamento de raio-x monocromático por vários materiais. O que ele observou foi que em geral a frequência do raio-x espalhado era menor do que a frequência do raio-x original. Este resultado não era explicado pela teoria eletromagnética clássica, que afirma que a frequência depende apenas das características da onda incidente e, portanto, as frequências da onda incidente e espalhada deveriam ser as mesmas.

O experimento realizado por Compton está ilustrado na figura abaixo.



O que Comptou mediu no experimento foi o comprimento de onda do raio-x espalhado em função do ângulo θ ou, em outras palavras, a frequência da luz espalhada em função do ângulo de espalhamento.

Para resolver a discrepância entre os resultados experimentais e a teoria, Compton optou por considerar os raios-x como partículas, fótons, de frequência e energia bem definidas. Além disso, no experimento o raio-x incidia sobre um alvo de grafite. Sendo que a energia associada aos fótons é muito maior do que a energia cinética e de ligação dos elétrons na superfície do grafite, Compton considerou os elétrons como estando livres e em repouso, uma suposição muito razoável dadas as comparações das energias.

O esquema abaixo ilustra o raio-x incidente, o elétron e o raio-x espalhado.


Compton considerou os fótons como possuindo uma energia e um momento dados por

E = h ν0 , e p = h ν0/c, onde ν0 é a frequência associada aos fótons incidentes e c é a velocidade da luz no vácuo. Além disso, ele assumiu que tais fótons colidiam com um elétron  de massa de repouso m0 em uma colisão perfeitamente elástica.

Então, levando-se em conta a conservação de energia e do momento linear, e considerando as correções relativísticas para as equações, Compton chegou  na seguinte equação,

λs - λ0 = h/(m0 c) (1 - cos (θ))

Esta equação mostra que a diferença entre os comprimentos de onda espalhado e incidente depende do ângulo de espalhamento. O valor h/(m0 c), onde h é a constante de Planck, é conhecido como comprimento de onda de Compton, ou seja, existe de fato uma diferença entre os comprimentos de onda, ou frequência do raixo-x incidente e do raio-x espalhado, como observado experimentalmente. Esta diferença só é nula no caso particular em que o ângulo de espalhamento é 0, ou seja, a direção de espalhamento é exatamente a mesma do feixe incidente. 

Com esta explicação totalmente satisfatória do experimento, encerra-se de uma vez por todas o questionamento sobre a natureza dual da matéria, ou seja, constata-se de fato a dualidade onda-partícula como uma característica intrínseca da matéria.

Abaixo apresentamos alguns links interessantes sobre o efeito Compton, inclusive de sua realização experimental nos dias recentes.