Uma máquina térmica microscópica, feita de peças de tamanho atômico ou subatômico funcionando de acordo com as leis da mecânica quântica, nunca conseguirá operar de maneira regular e previsível como os motores à combustão usuais. Isso acontece porque, ao contrário das máquinas macroscópicas, as flutuações inerentes no calor e no trabalho produzidos pela máquina na escala quântica têm o poder de fazer flutuar o desempenho da própria máquina. Publicado em agosto na Physical Review Letters, um estudo teórico de físicos brasileiros, demonstrou como deduzir relações de incerteza entre o calor dissipado e o trabalho produzido pelas máquinas quânticas, a partir de teoremas matemáticos que determinam as flutuações de entropia do sistema.
“Isso é importante porque, enquanto o estudo das relações de incerteza da termodinâmica quântica ainda está em sua infância, já existe uma literatura extensa sobre os teoremas de flutuação aplicáveis em diferentes cenários”, explica André Timpanaro, da Universidade Federal do ABC, o primeiro autor do estudo, feito em colaboração com Gabriel Landi, da Universidade de São Paulo, e Giacomo Guarnieri e John Goold, do Trinity College em Dublin, Irlanda.
Timpanaro explica que os teoremas de flutuação podem ser pensados como generalizações da segunda lei da termodinâmica, determinando a distribuição de probabilidade da produção de entropia de um sistema fora do equilíbrio térmico. Enquanto esses teoremas foram deduzidos na década de 1990, as relações de incerteza termodinâmicas só surgiram em 2015. As relações são expressões que estabelecem limites para as flutuações de quantidades termodinâmicas, relacionando por exemplo a quantidade de calor dissipada pela máquina térmica com a precisão possível de ser alcançada no seu funcionamento. “Nosso trabalho ilustra que a própria própria estrutura matemática dos teoremas de flutuação permite deduzir uma relação de incerteza termodinâmica em algumas situações”, diz.
A pesquisa foi realizada com apoio da FAPESP e do CNPq.
Artigo científico
Thermodynamic Uncertainty Relations from Exchange Fluctuation Theorems
André M. Timpanaro, Giacomo Guarnieri, John Goold e Gabriel T. Landi
Phys. Rev. Lett. 123, 090604 – Published 30 August 2019
ArXiv:1904.07574
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