pF - praticando Física - Curiosidades da Física

praticando Física >> Curiosidades da Física >> Hélio superfluido

Hélio superfluido

Por Flávio da Costa Gonçalves

Tudo começou nos estudos das propriedades termodinâmicas dos gases. Nos séculos XVIII e XIX, a termodinâmica e o estudo do comportamento dos gases estava a pleno vapor: o desenvolvimento industrial exigia cada vez mais máquinas mais eficientes. Os gases tinham participação especial nessa tarefa, afinal, eram eles os responsáveis por gerar calor e, consequentemente, gerar trabalho em muitas máquinas.

Porém, pouco se conhecia sobre as propriedades termodinâmicas dos gases quando estes eram resfriados. Sabia-se que os gases quando resfriados, mudavam para o estado líquido. O problema era determinar em que temperatura um gás se tornava líquido. No caso dos gases nobres, o ponto em que a transformação do estado gasoso para o estado líquido ocorre é em uma temperatura muito baixa. Alcançar esta temperatura era algo tecnologicamente difícil.

Foi em 1937 que utilizando processos de resfriamento que levavam a baixíssimas temperaturas, os cientistas Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener conseguiram deixar o gás hélio (He) em forma líquida. E foi então que uma propriedade muito interessante de alguns líquidos foi descoberta: a superfluidez.

A superfluidez é um estado de natureza quântica da matéria. Por isso mesmo, pouco compreendido a época em que foi descoberta (e até nos dias de hoje). Um superfluido tem como característica a supercondutividade (capacidade de transmitir corrente elétrica sem nenhuma resistência) e a pouca viscosidade. É por causa dessa pouca viscosidade, que um superfluido não interage com a parede do recipiente que o contém. Em outras palavras, um superfluido não “molha” a parede de um recipiente.

O hélio superfluido (4He) em um recipiente, antes de transbordar, "ignorando" os efeitos da gravidade. O comportamento da superfluidez é de natureza quântica, mas seus efeitos podem ser observados na escala macroscópica.

Como dissemos acima, a superfluidez é um fenômeno quântico. Portanto, sua compreensão só começou a ocorrer quando a natureza da Física Quântica começou a ser compreendida, a partir dos anos de 1950. A natureza quântica do superfluido é um pouco complexa, mas vamos tentar resumi-la. De fato, as partículas de 4He (um dos isótopos do He) possuem pouca interação molecular e quando este gás torna-se líquido, os efeitos quânticos existentes no estado gasoso passam a ser percebidos em escala macroscópica. Como a mudança do estado gasoso para o estado líquido acontece em uma temperatura extremamente baixa, dizemos que a condensação obedece a condensação de Bose-Einstein. Assim, as partículas obedecem à estatística prevista na teoria de Bose e complementada por Einstein por volta de 1925. Esta teoria prevê basicamente que, em temperaturas próximas ao zero absoluto (aproximadamente -273,15°C), uma grande fração de átomos atinge o mais baixo estado quântico, e nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. Contudo, as propriedades do 4He superfluido não são descritas quantitativamente pela teoria de Bose-Einstein, dado que as interações entre os átomos no líquido não podem ser desprezadas. Apesar de não existir uma teoria microscópica para o 4He superfluido, a sua capacidade de fluir sem qualquer resistência, como se as forças de atrito estivessem ausentes do líquido, foi explicada fenomenologicamente por Landau em 1941 (Premio Nobel da Física em 1962) considerando que apenas são excitadas vibrações de grande comprimento de onda, eliminando todos os processos microscópicos que estão na origem da viscosidade nos líquidos normais.

Um pouco dos efeitos interessantes da superfluidez pode ser observada no vídeo abaixo.

A maioria dos líquidos é atraída pela superfície dos recipientes que os contém (exceto os recipientes que possuem algum material antiaderente em sua composição). Estas interações atrativas promovem a formação de uma película microscópica de líquido que cobre toda a superfície do recipiente que os contém (como a película é microscópica o efeito da gravidade é desprezível). Na ausência de viscosidade, esta película permite que o fluido suba pelas paredes do recipiente onde está contido e transborde até a sua altura ser a mesma dentro e fora do recipiente, ou até o recipiente estar despejado. Mas na ausência da viscosidade, como no caso dos superfluidos, ocorre o chamado “efeito repuxo”, onde hélio sobe pelas paredes do recipiente.

O hélio superfluido é aplicado em alguns experimentos de Física dos Materiais e Supercondutividade. Sua produção ainda é cara, mas a possibilidade de aplicações em diversos ramos, principalmente na computação, é promissora.