Experimentos realizados por uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal de Goiás (UFG), da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) demonstraram como máquinas de tamanho igual ou menor ao de átomos, e portanto sujeitas às leis da mecânica quântica, podem ultrapassar os limites impostos pelas leis da termodinâmica clássica explorando o conceito controverso de temperatura negativa.
Os experimentos conduzidos no Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear do CBPF usaram campos eletromagnéticos intensos para manipular os spins nucleares de moléculas de clorofórmio (CHCl3) de modo que sua dinâmica reproduzisse o ciclo de Otto, o ciclo termodinâmico dos motores a combustão. Diferente dos motores clássicos, porém, os motores quânticos de spin nuclear podem ser preparados de modo a funcionar com estados de temperatura negativa. Os resultados publicados em junho na Physical Review Letters, mostram que motores quânticos preparados dessa maneira convertem energia térmica em trabalho com uma eficiência impossível de ser alcançada por um motor clássico.
“Foi uma surpresa”, diz Norton de Almeida, físico da UFG que coordenou o estudo, junto com seu estudante de doutorado Rogério de Assis. “Superar o limite de Carnot abre possibilidades incríveis para o funcionamento de motores quânticos”.
“O conceito de temperatura negativa é bastante controverso”, explica Almeida. “Existem fenômenos que podem ser explicados do ponto de vista de que existe uma temperatura negativa, seja em uma escala absoluta ou simplesmente aparente. Não entramos nessa discussão. O fato é que existe o fenômeno.”
De acordo com Assis, o núcleo de carbono das moléculas de clorofórmio foi utilizado como uma máquina térmica, enquanto o núcleo de hidrogênio executou o papel de reservatório térmico dessa máquina. “Realizamos nosso experimento variando os tempos de compressão e expansão do ciclo de Otto. O resultado principal de nosso trabalho mostra que, quanto mais rápido forem essas etapas, maior o rendimento. O efeito dá um ganho de potência que favorece a realização prática de uma máquina desse tipo”.
A pesquisa foi realizada com o apoio financeiro das agências FAPERJ, FAPESP, FAPEG, CAPES e CNPq.
Artigo científico
Efficiency of a Quantum Otto Heat Engine Operating under a Reservoir at Effective Negative Temperatures
Rogério J. de Assis, Taysa M. de Mendonça, Celso J. Villas-Boas, Alexandre M. de Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira e Norton G. de Almeida
Phys. Rev. Lett. 122, 240602 – 19 de junho de 2019
ArXiv:1811.02917
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Igor Zolnerkevic
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