Atividade I ME

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Tópico: Física de Baixas Temperaturas
NOME: Fábio Henrique da Costa
Descreva/discuta: 
1) A definição canônica de temperatura, o método para se obter temperatura negativa no laboratório 
e o seu significado físico.
No ponto de vista físico, segundo Lev Laundau, a definição de temperatura é uma
quantidade recíproca ou quantidade inversa da derivada da entropia (S) de um corpo em relação à
sua energia (E). Fisicamente descrita como:
 dS/dE = 1/T 
Na física, a temperatura está intimamente relacionada com a energia interna de um sistema
termodinâmico. Ainda, segundo Landau, como a entropia, a temperatura é vista como uma
quantidade puramente estatística, que tem significado apenas para corpos macroscópicos.
O processo para se atingir baixas temperaturas não é trivial, para alcançá-las necessitamos
de ciclos termodinâmicos que por definição, se referem a sequência repetitiva de transformações
físicas (compressão, expansão ou aquecimento) produzidas por um sistema a fim de realizar
trabalho, como um gás ou um líquido, promovendo assim o resfriamento, além disso, para manter o
sistema em baixas temperaturas é necessário um sitema chamado criostato que é um recipiente
construído para receber líquidos criogênicos, geralmente, nitrogênio líquido e hélio líquido. 
2) O método de resfriamento pelo trabalho externo numa máquina de expansão.
O princípio do resfriamento por expansão isentrópica (um processo isentrópico é um
processo termodinâmico, no qual a entropia do fluido ou gás permanece constante) consiste num
processo de troca de entalpia (onde prevemos a quantidade de calor envolvida numa transformação,
através de sua variação) que pode ser visto como uma máquina de expansão que não extrai nem
realiza trabalho externo. O trabalho realizado pela máquina de expansão é a diferença de entalpia
entre o gás que entra e que sai. A máquina de expansão funciona da seguinte forma:
- primeiramente o gás que esta retido em um compressor (com a função de aumentar a pressão e a
temperatura do gás , fazendo-o circular pela tubulação interna do aparelho em torno da temperatura
ambiente);
- num segundo momento é ejetado calor para as vizinhanças do aparelho;
- o gás é resfriado no contra fluxo onde acontece o processo de troca de entalpia, o gás quente
encontra com o gás frio já resfriado pelo processo;
- feito isso, o gás que passa no contra fluxo realiza trabalho e resfria;
- posteriormente o calor é extraído do volume de trabalho pelo gás frio;
- finalizando o processo o gás retorna ao compressor mas antes tipo ele já resfriado passa pelo
contra fluxo criando a troca de entalpia com o gás quente.
Para que o ciclo funcione, é necessário que seja realizado trabalho sobre ele, o que é feito
pelo compressor no início do processo. 
Para se entender, o principio do resfriamento por expansão isentrópica é aplicável ao gás de
elétrons em semicondutores no qual elétrons fluem de um semicondutor com alta concentração para
um semicondutor com baixa concentração, o gás de elétrons se expande e realiza trabalho contra
barreira de potencial entre as duas substâncias a fim de equalizar os dois potenciais químicos. O
resfriamento resultante atua a partir de um princípio físico chamado de “Efeito Peltier”.
3) O método para se atingir temperaturas de 77K, 4.2K e 300mK.
77K = 7.7 x 101 , regime de baixas temperaturas, precisamos de liquefação (transição ao estado
líquido da substância que se encontra no estado gasoso ou sólido.)
4.2K = 42 x 10-1 , regime de ultra baixas temperaturas, precisamos utilizar a refrigeração magnética
eletrônica ou a mistura 3He – 4He.
300mk = 0.3K = 3 x 10-1, regime de ultra baixas temperaturas, precisamos utilizar a refrigeração
magnética eletrônica ou a mistura 3He – 4He.
4) O método para se atingir temperaturas menores que 300mK.
Para se atingir temperaturas menores que 300mK, ou seja, menores que 10-3 , atingindo
faixas relativas a microkelvin (10-6 ) precisamos utilizar a refrigeração magnética nuclear. Já para
se atingir temperaturas de picokelvin (10-12) é necessário utilizar resfriamento a laser. 
Além disso, uma técnica muito empregada para se obter temperaturas muito mais baixas é a
conhecida como desmagnetização adiabática.
5) O método de resfriamento por desmagnetização adiabática e a impossibilidade de se atingir o 
zero absoluto utilizando este método.
Analisando atentamente o gráfico (Entropia x Temperatura) podemos entender que na
ausência de campo magnético a entropia é relativamente expressiva, permanecendo em valores
relativamente altos e tendendo para zero à medida que a temperatura decresce. Um material
magnético começa na temperatura T1 na ausência de um campo magnético (H1 = 0). Um campo
magnético é aplicado ao sal, entretanto, induzindo ordem, isto é, reduzindo a entropia (magnetiza
sotermicamente) criando um novo campo (H2 = H > 0), o calor é liberado para o reservatório,
criando assim, uma nova curva para um campo magnético constante. Então, o campo é desligado
adiabaticamente (ΔS = 0) e a desordem magnética aumenta - removendo o gás que circunda o sal
paramagnético que é utilizado para fazer o resfriamento (o material esfria até a temperatura Tf = T2
= T1 - ΔT). Para terminar o círculo, o calor é absorvido pelo material para atingir o estado inicial. O
sucesso do método depende da magnitude do decaimento da entropia do sal paramagnético no
intervalo de temperatura desejado e para os campos normalmente aplicados. É preciso otimizar o
ciclo termodinâmico para consegiur baixas temperaturas, obtendo ao mesmo tempo variações
máximas de entropia magnética e de temperatura. Vale destacar que os valores dessas variáveis
mudam de acordo com a tempertura do material.
Pela terceira lei da Termodinâmica entende-se a impossibilidade de se obter o zero absoluto.
Essa lei, também conhecida como teorema ou postulado de Nernst, afirma que é impossível, para
qualquer procedimento, levar a temperatura à T = 0 K em um número finito de operações. Para que
a entropia de um sistema chegue a 0 K o material têm de apresentar um estado fundamental com
apenas uma configuração. 
Temperaturas mais baixas podem ainda ser alcançadas utilizando o método de
desmagnetização nuclear e o de resfriamento a laser.