Dois físicos da Universidade de Estugarda demonstraram que o princípio de Carnot – uma regra fundamental da termodinâmica – não se aplica totalmente à escala atómica quando as partículas estão fisicamente ligadas (os chamados objectos correlacionados). As suas descobertas mostram que este limite de eficiência de longa data é quebrado para sistemas minúsculos controlados por efeitos quânticos. Este trabalho pode ajudar a acelerar o progresso em direção a motores quânticos extremamente pequenos e energeticamente eficientes. A equipe publicou uma prova matemática na revista progresso científico.
Os motores térmicos tradicionais, como os motores de combustão interna e as turbinas a vapor, operam convertendo 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.
“Micromotores do tamanho de um único átomo podem se tornar uma realidade no futuro”, diz o professor Eric Lutz, do Instituto de Física Teórica da Universidade de Stuttgart. “Também está claro que esses motores são capazes de atingir eficiências máximas mais altas do que os grandes motores térmicos.”
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 artigo. progresso científico Papel. Numa entrevista de três perguntas, eles descreveram suas descobertas e seu significado.
Repensando os limites da eficiência de 200 anos atrás
Há quase dois séculos, o físico francês Sadi Carnot estabeleceu a eficiência máxima teórica que qualquer máquina térmica poderia alcançar. O princípio de Carnot mais tarde tornou-se parte da segunda lei da termodinâmica, formulada para grandes sistemas como turbinas a vapor.
Investigadores em 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 fortemente conectadas de maneiras não consideradas na termodinâmica clássica.
O papel oculto das correlações quânticas
O trabalho original de Carnot mostrou que a eficiência depende das diferenças de temperatura, sendo que quanto maior for a diferença entre o quente e o frio, maior será a eficiência potencial. A fórmula clássica não inclui os efeitos das correlações quânticas. Quando um sistema se torna extremamente pequeno, essas conexões sutis entre as partículas aparecem.
Pela primeira vez, os pesquisadores derivaram leis termodinâmicas generalizadas que abrangem totalmente essas correlações. Seus resultados mostram que os motores térmicos em escala atômica podem converter não apenas calor em trabalho, mas também as próprias correlações quânticas. Devido a esta contribuição adicional, tais máquinas podem produzir mais trabalho do que a teoria clássica permite, o que significa que a eficiência dos motores quânticos pode exceder o limite tradicional de Carnot.
O que isso significa para a tecnologia futura
Além de refinar a física fundamental, esta pesquisa abre novas possibilidades para aplicações futuras. Uma compreensão mais profunda de como as leis da física operam no nível atômico poderia acelerar o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração, incluindo motores quânticos ultrapequenos e eficientes, capazes de realizar tarefas precisas em nanoescala.
Um dia, esses motores poderão alimentar nanorrobôs médicos ou guiar máquinas para manipular materiais átomo por átomo. A ampla gama de utilizações potenciais destaca como a revisão de princípios científicos básicos pode levar a horizontes tecnológicos inteiramente novos.
