O zero absoluto é o limite inferior que pode ser alcançado em qualquer escala de temperatura termodinâmica . Corresponde a 0 K (zero graus Kelvin), igual a -273,144 ºC (graus Celsius ou centígrados) . Também corresponde a 0 ºR (escala Rankine) e -459,67 graus F (Fahrenheit).

O zero absoluto é uma temperatura em que as partículas fundamentais apresentam movimento vibracional mínimo, elas mostram apenas características da mecânica quântica . É a temperatura mínima medida quando a substância não contém calor , uma vez que o frio não existe tecnicamente, há ausência ou presença de calor. Uma substância que atinge o zero absoluto não retém nenhuma energia térmica. Nada pode ser mais frio .

O zero absoluto foi teoricamente obtido por extrapolação da lei dos gases ideais , coincidindo com a temperatura na qual um gás ideal atinge o valor mínimo de entalpia e entropia . Em outras palavras, é a temperatura mais baixa alcançável de acordo com as leis da termodinâmica conhecidas.

Embora o zero absoluto seja definido como a temperatura mais baixa possível, e embora seja definido como o valor mínimo da entalpia para um gás ideal, ele não corresponde à entalpia mais baixa possível. Isso ocorre simplesmente porque qualquer substância real se desvia das propriedades e características de um gás ideal.

Fazer com que uma substância atinja um estado de energia térmica zero é praticamente impossível, mas chegou muito perto. Em 1995, o NIST estabeleceu o recorde para a temperatura mais baixa alcançada até o momento: 170 nK (nanokelvin, um bilionésimo de 1 K). Em 2003, no MIT, foi atingido 0,45 nk (450 pK ou picokelvin). A temperatura média do espaço profundo foi determinada em aproximadamente 2.725 k, e a NASA se propôs a quebrar esse recorde em 2017 em seu Cold Atom Lab .

Nessas temperaturas tão próximas do zero absoluto, as substâncias começam a apresentar fenômenos quânticos mesmo em escala macroscópica, por exemplo, o estado de superfluidez , supercondutividade ou condensado de Bose-Einstein .

Um dos exemplos mais bem estudados de superluidez é o hélio. Nas proximidades do zero absoluto, o hélio permanece no estado líquido, mas não tem viscosidade, ou melhor, sua viscosidade é zero e sua fluidez não é restringida pela tensão superficial de nenhum líquido normal. O hélio líquido flui incessantemente impulsionado pela chamada energia do ponto zero , a energia mais baixa que um sistema pode ter em mecânica quântica. Nesse estado, o hélio se comporta como um superfluido .

Kelvin e escalas de temperatura absoluta

Escalas de temperatura absoluta, também chamadas de escalas termodinâmicas , são escalas para medir a temperatura que partem do ponto zero estabelecido pela terceira lei da termodinâmica . No Sistema Internacional de Unidades , a escala absoluta de temperatura atualmente adotada é a escala Kelvin .

A escala Kelvin foi desenvolvida por William Thomson ( Barão Kelvin) em 1848. Parte-se do ponto zero da referida terceira lei e a partir daí estabelece incrementos equivalentes a graus Celsius. 1 grau Kelvin e 1 grau Celsius têm a mesma magnitude, o mesmo tamanho.

Outra escala absoluta é a escala Rankine , desenvolvida por William John Macquorn Rankine em 1859. É semelhante à escala Kelvin, mas a escala Rankine tem incrementos equivalentes à escala Fahrenheit. Rankine e Kelvin trabalharam na Universidade de Glasgow (Escócia, Reino Unido).

Em escalas de temperatura absolutas, em teoria, zero é o limite inferior. Não há temperaturas negativas, como pode haver nas escalas Celsius e Fahrenheit, razão pela qual é chamado de zero absoluto. Porém, certos sistemas podem atingir temperaturas absolutas negativas, ou seja, sua temperatura termodinâmica expressa em graus Kelvin pode ser negativa.

Na maioria dos sistemas, adicionar energia aumenta a entropia e, com ela, a temperatura. Mas existem sistemas que ao atingirem a quantidade máxima de energia que podem conter, sua entropia começa a diminuir com a adição de energia e, como a temperatura é definida pela entropia, pode tornar-se negativa mesmo em escalas absolutas. Em 2013, foi anunciada pela primeira vez a criação de um gás de potássio quântico com temperatura absoluta negativa .

Esses sistemas com temperaturas abaixo do zero absoluto, no entanto, são compartilhados como substâncias muito quentes. Por terem excesso de energia, mesmo com baixa entropia, ao entrarem em contato com outra substância eles abrem mão do excesso de energia, mesmo quando esta segunda substância possui uma temperatura mais elevada. É um dos raros fenômenos que obedecem à mecânica quântica e um exemplo muito claro de que calor e temperatura não são iguais.

Alcançar zero absoluto é matematicamente impossível

Embora estados de temperaturas absolutas negativas tenham sido alcançados, atingir o zero absoluto provou ser impossível do ponto de vista matemático: você não pode resfriar uma substância até o zero absoluto em um tempo finito .

De acordo com a terceira lei da termodinâmica, para atingir o zero absoluto, a entropia do sistema também deve ser zero, mas nenhum sistema real pode atingir um estado de entropia zero . Além disso, obedecendo à segunda lei da termodinâmica, tal sistema frio estará sempre absorvendo uma certa quantidade de energia térmica de seu entorno, que seria mais quente.

Essa suposição poderia ser demonstrada matematicamente: o limite de temperatura se aproxima do zero absoluto tangencialmente, atingindo o zero absoluto somente seria possível se o tempo infinito estivesse disponível.