Uma nova equação mostra uma relação surpreendentemente simples entre a pressão e a temperatura necessárias para fundir qualquer substância sólida.
Os físicos parecem ter finalmente encontrado a resposta para uma questão aparentemente simples que permaneceu sem resposta durante cerca de um século: quando é que uma substância funde?
Como sabemos, o ponto de fusão de uma substância, ou seja, a temperatura à qual passa do estado sólido para líquido, depende da pressão atmosférica.
Por exemplo, ao nível do mar, onde a pressão atmosférica padrão é de 1 atm, o gelo começa a fundir a 0 °C. Este é o ponto de fusão da água sob condições padrão de pressão.
No entanto, a temperatura de fusão do gelo varia com a pressão. Sob pressões mais altas, diminui ligeiramente, devido ao comportamento anómalo da água: ao contrário da maioria das substâncias, a sua forma sólida (gelo) é menos densa do que a sua forma líquida (água).
Quando a pressão aumenta, a estrutura cristalina do gelo é perturbada, facilitando a sua transformação em água a uma temperatura ligeiramente mais baixa.
A pressões muito altas, como as encontradas nas profundezas dos glaciares ou camadas de gelo, o gelo pode derreter a temperaturas abaixo de 0 °C.
Ao contrário da água, que se contrai ao congelar, no caso da maior parte das substâncias o aumento da pressão tende a elevar o ponto de fusão — e, quanto mais alta for a temperatura de fusão, normalmente, menor é o impacto da pressão na determinação do ponto de fusão. Mas nem sempre assim acontece.
Esta variabilidade tem impedido os físicos de encontrar uma forma de prever com exatidão, para qualquer substância, a temperatura e pressão a que um material funde — apesar de a chamada Relação Clausius–Clapeyron tentar determinar a dependência entre temperatura e pressão nesta transição.
Recentemente, Kostya Trachenko, investigador na Queen Mary University of London, achou estranho que “nesta era de desenvolvimento científico e tecnológico”, os físicos ainda não tivessem conseguido ultrapassar esta dificuldade, e decidiu derreter alguns neurónios com o problema.
Para dar resposta a esta questão, o físico ucraniano derivou uma equação que pode ser usada para fazer esta previsão para uma vasta gama de substâncias.
Trachenko focou-se nas chamadas “linhas de fusão”, fórmulas que refletem a relação entre temperatura e pressão no ponto em que um objeto está muito próximo de começar a fundir.
Há fórmulas semelhantes e bem estabelecidas para a vaporização e sublimação — a transformação direta de uma substância sólida num gás.
Mas, ao longo da história da ciência, inúmeros físicos proeminentes chegaram à conclusão de que a transição de sólido para líquido era matematicamente demasiado complexa para se poder entender.
Esta dificuldade deve-se essencialmente ao facto de o estado final do processo ser um líquido, no qual os átomos interagem uns com os outros e se movem de uma forma mais complicada do que o fazem em sólidos ou em gases.
Trachenko, que tinha já anteriormente trabalhado com as leis da termodinâmica que determinam quanta energia e calor um líquido pode conter, descobriu agora como combinar estas leis com uma equação com 200 anos — que mostra como duas fases da matéria, como sólido e líquido, podem coexistir.
O resultado é uma nova equação de linha de fusão, que revela que a pressão a que uma substância funde depende do quadrado da sua temperatura.
K. Trachenko / Physical Review E
A equação de Trachenko, que foi apresentada num artigo publicado o mês passado na Physical Review E, entra em conta com constantes físicas fundamentais, como a carga e massa de um eletrão, o que permite que em teoria possa ser aplicada de forma generalizada a qualquer substância.
“Antes deste estudo, não era de todo esperado e ninguém tinha pensado que isto pudesse ser feito”, diz Trachenko, citado pela New Scientist.
O físico testou a sua equação contra dados experimentais de fusão para inúmeras substâncias diferentes, e até agora encontrou apenas resultados concordantes – que parecem validar a sua equação.
Está assim resolvido, aparentemente, o problema que durante um século tanto pressionou os físicos.
