Dos físicos de la Universidad de Stuttgart han demostrado que el principio de Carnot, una ley fundamental de la termodinámica, no se aplica plenamente a escala atómica cuando las partículas están físicamente conectadas (los llamados objetos correlacionados). Sus hallazgos sugieren que este antiguo límite a la eficiencia desaparece en el caso de sistemas pequeños gobernados por efectos cuánticos. El trabajo podría ayudar a acelerar el progreso hacia motores cuánticos extremadamente pequeños y energéticamente eficientes. El equipo publicó su prueba matemática en la revista. Avances de la ciencia.
Los motores térmicos tradicionales, como los motores de combustión interna y las turbinas de vapor, funcionan convirtiendo la energía térmica en movimiento mecánico o simplemente convirtiendo el calor en movimiento. En los últimos años, los avances en la mecánica cuántica han permitido a los investigadores reducir los motores térmicos a dimensiones microscópicas.
“Los motores en miniatura, del tamaño de un átomo, pueden ser una realidad en el futuro”, afirma el profesor Eric Lutz del Instituto de Física Teórica I de la Universidad de Stuttgart. “Ahora está claro que estos motores pueden alcanzar eficiencias máximas más altas que los motores térmicos más grandes”.
Un investigador postdoctoral en el mismo instituto, el profesor Lutz y el Dr. Milton Aguilar describen la física detrás de sus sorprendentes resultados. Avances de la ciencia El artículo describe, en una entrevista de tres preguntas, lo que descubrieron y por qué es importante.
Repensar los límites de eficiencia de hace 200 años
Hace casi dos siglos, el físico francés Sadi Carnot estableció la eficiencia máxima teórica que cualquier motor térmico podría alcanzar. El principio de Carnot, que más tarde pasó a formar parte de la segunda ley de la termodinámica, se formuló para sistemas a gran escala, como las turbinas de vapor.
Los investigadores de Stuttgart han demostrado ahora que este principio debe ampliarse a sistemas de escala atómica. Esto es especialmente cierto en el caso de motores moleculares fuertemente correlacionados, donde las partículas están estrechamente acopladas de una manera que la termodinámica clásica no tiene en cuenta.
El papel oculto de la correlación cuántica
El trabajo fundamental de Carnot demostró que la eficiencia depende de la diferencia de temperatura, y que una brecha mayor entre el calor y el frío conduce a una mayor eficiencia potencial. Lo que la formulación clásica no incluye es el efecto de las correlaciones cuánticas. Se trata de conexiones sutiles que surgen entre partículas cuando los sistemas se vuelven extremadamente pequeños.
Por primera vez, los investigadores han descubierto leyes termodinámicas generales que abarcan plenamente estas interacciones. Sus resultados revelan que las máquinas térmicas a escala atómica pueden convertir no sólo el calor en trabajo sino también correlaciones cuánticas. Debido a esta contribución adicional, estas máquinas pueden funcionar más de lo que sugiere la teoría clásica, lo que significa que el rendimiento de un motor cuántico puede superar el límite tradicional de Carnot.
Qué significa esto para la tecnología del futuro
Además de perfeccionar la física fundamental, la investigación abre nuevas posibilidades para aplicaciones futuras. Una comprensión más profunda de cómo funcionan las leyes físicas a nivel atómico podría acelerar el desarrollo de tecnologías de próxima generación, incluidos motores cuánticos ultrapequeños y altamente eficientes capaces de realizar tareas precisas a nanoescala.
Estos motores algún día podrían alimentar nanobots médicos o guiar máquinas que manipulen átomos átomo por átomo. La gama de usos potenciales es amplia, lo que pone de relieve cómo reexaminar los principios científicos básicos puede conducir a horizontes tecnológicos completamente nuevos.
