Físicos desafiam uma lei da termodinâmica de 200 anos em escala atômica
Dois físicos da Universidade de Estugarda demonstraram que o princípio de Carnot, uma regra fundamental da termodinâmica, não se aplica plenamente à escala atómica quando as partículas estão fisicamente ligadas (os chamados objectos correlacionados). As suas descobertas sugerem que este limite de eficiência de longa data falha em sistemas minúsculos governados por efeitos quânticos. O trabalho poderia ajudar a acelerar o progresso em direção a motores quânticos extremamente pequenos e energeticamente eficientes. A equipe publicou sua prova matemática na revista Avanços da Ciência.
Os motores térmicos tradicionais, como os motores de combustão interna e as turbinas a vapor, funcionam transformando energia térmica em movimento mecânico ou simplesmente convertendo calor em movimento. Nos últimos anos, os avanços na mecânica quântica permitiram aos pesquisadores reduzir os motores térmicos a dimensões microscópicas.
“Pequenos motores, não maiores que um único átomo, poderão tornar-se uma realidade no futuro”, diz o professor Eric Lutz, do Instituto de Física Teórica I da Universidade de Stuttgart. “Agora também é evidente que esses motores podem atingir uma eficiência máxima maior do que motores térmicos maiores.”
O professor Lutz e o Dr. Milton Aguilar, pesquisador de pós-doutorado no mesmo instituto, descrevem a física por trás desse resultado surpreendente em seu estudo. Avanços da Ciência papel. Em uma entrevista de três perguntas, eles descrevem o que descobriram e por que isso é importante.
Repensando um limite de eficiência de 200 anos
Há quase dois séculos, o físico francês Sadi Carnot estabeleceu a eficiência máxima teórica que qualquer máquina térmica pode alcançar. O princípio de Carnot, que mais tarde se tornou parte da segunda lei da termodinâmica, foi formulado para sistemas de grande escala, como turbinas a vapor.
Os investigadores de Estugarda demonstraram agora que este princípio deve ser expandido quando aplicado a sistemas à escala atómica. Isto é especialmente verdadeiro para motores moleculares fortemente correlacionados, onde as partículas estão intimamente ligadas de formas não contabilizadas na termodinâmica clássica.
O papel oculto das correlações quânticas
O trabalho original de Carnot mostrou que a eficiência depende das diferenças de temperatura, com intervalos maiores entre o quente e o frio levando a uma maior eficiência potencial. O que a formulação clássica não inclui é o efeito das correlações quânticas. Estas são conexões sutis que surgem entre partículas quando os sistemas se tornam extremamente pequenos.
Pela primeira vez, os pesquisadores derivaram leis termodinâmicas generalizadas que incorporam totalmente essas correlações. Seus resultados revelam que as máquinas térmicas em escala atômica podem converter não apenas calor em trabalho, mas também as próprias correlações quânticas. Devido a esta contribuição adicional, tais máquinas podem gerar mais trabalho do que a teoria clássica permite, o que significa que a eficiência de um motor quântico pode exceder o limite tradicional de Carnot.
O que isso significa para a tecnologia futura
Além de refinar a física fundamental, a pesquisa abre novas possibilidades para aplicações futuras. Uma compreensão mais profunda de como as leis físicas operam no nível atômico poderia acelerar o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração, incluindo motores quânticos ultrapequenos e altamente eficientes, capazes de tarefas precisas em nanoescala.
Esses motores poderão um dia alimentar nanorrobôs médicos ou guiar máquinas que manipulam materiais átomo por átomo. A gama de utilizações potenciais é vasta, destacando como o reexame dos princípios científicos básicos pode levar a horizontes tecnológicos inteiramente novos.
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