Termodinâmica no nível quântico: nuances na 2ª Lei?
15 de julho, 2019 às 9:45 | Postado em Mecânica quântica, Termologia, termodinâmica
Respondido por: Prof. Rubem Erichsen - IF-UFRGSGostaria de saber mais sobre o significado dessa pesquisa. Ele implica realmente que a 2ª Lei da Termodinâmica funciona de forma diferente, ou tem certas nuances, no nível quântico? Há alguma implicação no nível macroscópico? E há vislumbre, ainda que distante, de haver alguma aplicação como refrigeradores mais eficientes?
O artigo publicado na Nature tem o mérito de demonstrar inequivocamente a relevância da informação para a termodinâmica. Armazenamento de informação requer substrato físico: tinta e papel, polarização de transistores e correlações quânticas entre spins são exemplos em ordem crescente de densidade de informação. Quanto maior a densidade, maior é a relevância da informação na termodinâmica do sistema que a suporta.
O artigo aborda um sistema no qual a densidade de informação é altíssima. Potencialmente, cada par de spins correlacionados pode armazenar um bit de informação. Isso é muitas ordens de grandeza maior do que nos circuitos eletrônicos atuais.
O armazenamento de informação na forma de correlações quânticas absorve energia, assim como o descorrelacionamento e a consequente perda dessa informação libera energia. É essa a energia que é transportada da população de spins mais frios para a população de spins mais quentes. É importante ressaltar o termo “população de spins”, pois não faz sentido atribuir temperatura a um único spin.
Para que um refrigerador transporte calor do frio para o quente é necessário que um agente externo realize trabalho sobre o refrigerador. Esse é o papel do motor elétrico nos refrigeradores usuais. Os autores do artigo afirmam que o sistema quanticamente correlacionado permite transporte de calor do frio para o quente sem a presença de um agente externo. Eu não concordo com essa afirmativa, pois o sistema foi correlacionado, poder-se-ia dizer “preparado”, com a utilização de pulsos de rádio frequência. Essa também é uma forma de realizar trabalho sobre o sistema.
Os autores afirmam corretamente que não houve violação da segunda lei da termodinâmica. Entendemos essa lei como um princípio de irredutibilidade da entropia e a consequente definição de uma seta do tempo, que estabelece o sentido em que as coisas acontecem. Se um sistema apresenta correlações quânticas, então sua entropia deve possuir um termo que leva em consideração essas correlações, de modo que a perda de correlação resulte em aumento de entropia. Desse modo é possível a transferência de calor do frio para o quente, já que a diminuição da entropia devido a esse processo é compensada pelo aumento da entropia devido ao descorrelacionamento. E a seta do tempo, nesse caso, não é invertida, como afirmam os autores, mas é preservada.
O processamento e o armazenamento de informação requerem grandes quantidades de energia. Com a manipulação de spins elementares vislumbra-se a possibilidade de construir dispositivos energeticamente menos dispendiosos.
“Concordo com a sua discordância” dos autores, caso a afirmação deles seja essa que você representa aqui (eu não li o artigo, daí a ressalva). Mesmo um sistema que já seja “achado correlacionado” na natureza terá ficado assim por algum balanço passado em que algum trabalho atuou sobre ele para que sua entropia diminuisse. No balanço geral preserva-se a seta. MAS, entre a formação do estado correlacionado e sua posterior interação para “roubar calor da fonte fria” há um tempo em que todos os processos naturais estão seguindo no sentido oposto. Então, *sazonalmente* podemos dizer que houve uma inversão da seta, ainda que globalmente ela esteja preservada como princípio.
Ouçam aqui uma entrevista com os autores no “Fronteiras da Ciência”: http://frontdaciencia.blogspot.com/2018/06/termodinamica-quantica-e-seta-do-tempo.html