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Pesquisa Científica

O teorema explica por que quantidades como calor e energia podem flutuar no sistema microscópico

Publicado em 27 novembro 2019

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total de um sistema isolado sempre tende a aumentar ao longo do tempo até atingir o máximo. Em outras palavras, a desorganização aumenta sem intervenção externa. O equipamento elétrico inevitavelmente esquenta, pois parte da energia é dissipada na forma de calor, em vez de ser usada para trabalhos mecânicos, e os objetos se deterioram com o tempo, mas não se regeneram espontaneamente.

No entanto, essa natureza intuitiva da entropia não se aplica necessariamente ao mundo microscópico. Os físicos, portanto, reinterpreteram a segunda lei, dando-lhe uma torção estatística: a entropia de fato aumenta, mas há uma probabilidade não nula de que às vezes diminua.

Por exemplo, em vez de o calor fluir de um corpo quente para um frio, como de costume, ele pode fluir de um corpo frio para um corpo quente em determinadas situações. Os teoremas de flutuação (FTs) quantificaram essa probabilidade com precisão, e a questão tem interesse prático em relação à operação de máquinas em nanoescala. Os FTs foram propostos pela primeira vez em um artigo publicado em 1993 na Physical Review Letters . O artigo foi escrito pelos cientistas australianos Denis Evans e Gary Morriss e pelo cientista holandês Ezechiel Cohen. Eles testaram um desses teoremas usando simulações em computador.

Um artigo publicado recentemente na mesma revista mostra que uma conseqüência dos FTs são as relações termodinâmicas de incerteza, que envolvem flutuações nos valores de quantidades termodinâmicas, como calor, trabalho e energia. O título do novo artigo é "Relações termodinâmicas de incerteza a partir de teoremas de flutuação de câmbio ".

O primeiro autor foi André Timpanaro, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), Estado de São Paulo, Brasil. O principal pesquisador do estudo foi Gabriel Landi, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP). Giacomo Guarnieri e John Goold, afiliados ao Departamento de Física do Trinity College Dublin (Irlanda), também participaram.

Relações de incerteza

"As origens físicas das relações de incerteza termodinâmica eram obscuras até agora. Nosso estudo mostra que elas podem ser derivadas de FTs", disse Landi.

"Quando começamos a estudar termodinâmica, tivemos que lidar com quantidades como calor, trabalho e energia, às quais sempre atribuímos valores fixos. Nunca imaginamos que eles pudessem flutuar, mas sim. No mundo microscópico, essas flutuações são relevantes. Eles podem influenciar as operações de uma máquina em nanoescala, por exemplo. As relações termodinâmicas de incerteza estabelecem um piso para essas flutuações, vinculando-as a outras quantidades, como o tamanho do sistema ".

As relações termodinâmicas de incerteza foram descobertas em 2015 por um grupo de pesquisadores liderados por Udo Seifert na Universidade de Stuttgart, na Alemanha. André Cardoso Barato, ex-aluno da IF-USP e atualmente professor da Universidade de Houston (EUA), participou da descoberta.

A estrutura matemática dessas relações se assemelha à do princípio da incerteza de Heisenberg, mas elas nada têm a ver com a física quântica; eles são puramente termodinâmicos. "A natureza das relações termodinâmicas de incerteza nunca foi muito clara", disse Landi. "Nossa principal contribuição foi mostrar que eles derivam dos TFs. Acreditamos que os TFs descrevem a segunda lei da termodinâmica de maneira mais geral e que as relações termodinâmicas de incerteza são uma conseqüência dos TFs".

Segundo Landi, essa generalização da segunda lei da termodinâmica trata as quantidades termodinâmicas como entidades que podem flutuar, embora não arbitrariamente, uma vez que devem obedecer a certas simetrias. "Existem vários teoremas de flutuação", disse ele. "Encontramos uma classe especial de FTs e focamos neles como casos de simetria matemática. Dessa maneira, transformamos nosso problema em um problema matemático. Nosso principal resultado foi um teorema da teoria das probabilidades".

Mais informações: André M. Timpanaro et al., Relações termodinâmicas de incerteza dos teoremas da flutuação cambial, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.090604
 
Informações da revista: Cartas de Revisão Física
 
Fornecido pela FAPESP
 
Fonte: Physic News / por José Tadeu Arantes, FAPESP  / 27-11-2019