Dois físicos da Universidade de Estugarda demonstraram que o princípio de Carnot, uma lei 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 longa data à eficiência se desfaz em pequenos sistemas 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 A ciência avança.
Os motores térmicos tradicionais, como motores de combustão interna e 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.
“Motores em miniatura, não maiores que um único átomo, podem se tornar uma realidade no futuro”, diz o professor Eric Lutz, do Instituto de Física Teórica I da Universidade de Stuttgart. “Agora está claro que esses motores podem atingir eficiências máximas mais altas do que motores térmicos maiores.”
Pesquisador de pós-doutorado no mesmo instituto, o professor Lutz e o Dr. Milton Aguilar descrevem a física por trás de seus resultados surpreendentes. A ciência avança O artigo descreve, em uma entrevista de três perguntas, o que eles descobriram e por que isso é importante.
Repensando os limites de eficiência de 200 anos
Há quase dois séculos, o físico francês Sadi Carnot estabeleceu a eficiência máxima teórica que qualquer máquina térmica poderia 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 alargado quando aplicado a sistemas à escala atómica. Isto é especialmente verdadeiro para motores moleculares fortemente correlacionados, onde as partículas estão intimamente acopladas de uma forma que a termodinâmica clássica não leva em conta.
O papel oculto da correlação quântica
O trabalho seminal de Carnot mostrou que a eficiência depende da diferença de temperatura, com uma lacuna maior 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 descobriram leis termodinâmicas gerais que abrangem totalmente essas interações. Seus resultados revelam que máquinas térmicas em escala atômica podem converter não apenas calor em trabalho, mas também correlações quânticas. Devido a estas contribuições adicionais, tais máquinas podem executar mais do que a teoria clássica sugere, o que significa que o desempenho 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 funcionam 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 átomos 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.
