Pesquisadores propõem estratégia para obter refrigeração de forma otimizada

Estudo teórico realizado na Unesp demonstrou que, nas vizinhanças de pontos críticos, efeitos calóricos gigantes permitem um resfriamento do sistema em resposta à variação de um parâmetro externo de controle, como pressão, campo magnético ou campo elétrico

Agência FAPESP – Em artigo publicado Materials Research Bulletin, pesquisadores brasileiros demonstraram que, nas vizinhanças de pontos críticos, o chamado efeito calórico (resfriamento magnético ou elétrico, por exemplo) é gigante.

A pesquisa foi conduzida pelo grupo Solid State Physics, liderado pelo professor Mariano de Souza, do Departamento de Física da Universidade Estadual Paulista (Unesp) em Rio Claro, em parceria com o grupo de Antonio Seridonio, do Departamento de Física e Química da Unesp em Ilha Solteira. E contou com apoio da FAPESP.

“Os referidos efeitos calóricos permitem um resfriamento do sistema em ‘resposta’ à variação de um parâmetro externo de controle, como, por exemplo, pressão, campo magnético ou campo elétrico. Para tal, é necessário que não ocorram trocas de calor entre o sistema e seus arredores. Tal condição define o chamado ‘caráter adiabático’, o qual é imprescindível para a realização do efeito calórico em questão”, diz Souza.

A ideia central desse processo de resfriamento é que, para manter a entropia do sistema constante, sua temperatura varia espontaneamente.

“Em termos práticos: inicialmente o sistema deve ser fixado em uma dada temperatura e, em seguida, o parâmetro de controle é aumentado até um determinado valor. Na sequência, o sistema é isolado da sua vizinhança, ou seja, não existem trocas de calor envolvidas no processo. Nessa condição, o parâmetro de controle é então removido. Como consequência natural da condição adiabática, é necessário que ocorra uma variação da temperatura como ‘resposta’ natural à variação do parâmetro controle”, explica Souza.

Em outras palavras, a energia térmica é variada para compensar a variação de energia do sistema associada à remoção adiabática do parâmetro de controle. Os pesquisadores demonstraram que efeitos calóricos são maximizados nos arredores de pontos críticos.

“De forma simplificada, um ponto crítico em um dado diagrama de fases pode ser entendido como aquele associado aos valores críticos de temperatura e parâmetro de controle [ponto na cor preta na figura], como os campos elétrico e magnético ou pressão, os quais governam as mudanças de fase de uma determinada substância. Ocorre que, próximo do ponto crítico, existem flutuações expressivas do chamado parâmetro de ordem, que é a grandeza física associada às fases envolvidas [por exemplo, no caso magnético, o parâmetro de ordem é a magnetização], fazendo com que a resposta termodinâmica manifestada, por exemplo, na expansão térmica e na compressibilidade do sistema, apresente um comportamento singular”, afirma Souza.

O trabalho em pauta propõe o aproveitamento das flutuações inerentes do parâmetro de ordem nas proximidades do ponto crítico para a maximização dos efeitos calóricos. “Utilizando argumentos físicos baseados no conceito de entropia, a qual pode ser entendida em termos simples como uma medida do grau de desordem do sistema, demonstramos que é possível a realização de efeitos calóricos gigantes quando a matéria é colocada em condições extremas”, relata Souza.

Para que o efeito calórico seja otimizado, os pesquisadores demonstraram que a maximização da entropia constitui o “ingrediente” mais importante. Ademais, propuseram que outros “ingredientes físicos”, como, por exemplo, a presença de paredes de domínio e a instabilidade estrutural contribuem para o aumento dos efeitos calóricos.

“É sabido que uma maneira de aumentar a entropia associada a um dado sistema físico é diminuir seu volume. Ocorre que, para reduzir o volume, é necessária a aplicação de pressão. Dessa forma, fica evidente a importância da aplicação de pressão no contexto dos efeitos calóricos – neste caso denominado efeito barocalórico. Com base no fato de que nas vizinhanças de um ponto crítico a entropia é aumentada expressivamente devido à competição entre fases [conforme a figura], é natural esperar que, em tal região do diagrama de fases, a realização dos efeitos calóricos seja maximizada. Isso é uma mera consequência do fato de que quanto maior a entropia acumulada no sistema mais expressiva será a variação de temperatura no efeito calórico”, ensina Souza.

Os resultados obtidos pelo grupo têm impacto e relevância tecnológica com base na possibilidade de otimizar efeitos calóricos. O artigo científico, intitulado Giant caloric effects close to any critical end point, constitui parte da tese de doutorado de Lucas Squillante, orientando de Souza. Seridonio e a doutoranda Isys Mello (Unesp em Rio Claro) também assinam o texto, que pode ser lido em: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0025540821002105?via%3Dihub.