Há várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/02/2015

[Imagem: Fernando Brandão et al. - 10.1073/pnas.1411728112]

Termodinâmica quântica

No ano passado, uma equipe de físicos causou furor na academia ao defender que a Segunda Lei da Termodinâmica falha em nanoescala.

Agora, outra equipe foi além, garantindo que, em nanoescala, ou no reino da física quântica, não existe uma, mas várias "segundas leis da termodinâmica", que complementariam a clássica Segunda Lei da Termodinâmica.

O trabalho foi liderado pelo brasileiro Fernando Brandão, atualmente na Universidade College de Londres.

Termodinâmica clássica

A Segunda Lei da Termodinâmica clássica estabelece que o Universo está em um estado de desordem crescente, resultando em coisas como uma xícara de café quente em um ambiente frio vai esfriar, e nunca esquentar, ou que mesmo as máquinas mais eficientes vão perder alguma energia na forma de calor.

Isso parece bastante trivial e previsível, mas as "segundas leis" dessa termodinâmica quântica vão resultar em fenômenos bem mais bizarros.

Há alguma resistência em chamar a Segunda Lei da Termodinâmica de "lei" porque ela é basicamente uma descrição estatística, que só vale quando há um número de partículas suficientemente grande em um sistema. Por isso, os físicos têm-se interessado em saber se ela se manteria válida em sistemas muito pequenos, nos quais há um número muito pequeno de partículas.

Surpreendentemente, a equipe descobriu que a desordem também tende a crescer nos sistemas em nanoescala - validando a Segunda Lei clássica nesses sistemas quânticos -, mas há "segundas leis" adicionais que restringem o modo como essa desordem pode aumentar.

Trabalhando com apenas uma partícula, outra equipe já havia constatado que a Segunda Lei da Termodinâmica falha em nanoescala.
[Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler]

Segundas leis da termodinâmica quântica

"Estas segundas leis adicionais podem ser imaginadas como dizendo que há muitos tipos diferentes de desordem em pequenas escalas, e todos eles tendem a aumentar conforme o tempo passa," disse o professor Michal Horodecki, membro da equipe.

Isso significa dizer que, em nanoescala, há medidas adicionais de desordem - todas diferentes da conhecida entropia - que quantificam os diferentes tipos de desordem. A equipe demonstrou que, além do esperado aumento da entropia, todos os outros tipos de desordem também aumentam com o tempo.

"Embora uma casa quântica vá ficar mais bagunçada, em vez de mais arrumada, como uma casa normal, nossa pesquisa mostra que as formas em que ela pode ficar bagunçada são restringidas por uma série de leis extras. Se não fosse estranho o suficiente, a forma como estas segundas leis interagem umas com as outras pode até mesmo fazer com que pareça que a Segunda Lei da Termodinâmica tradicional foi violada," explica o professor Jonathan Oppenheim.

Nessas aparentes violações, o que ocorre é que um pequeno sistema quântico pode ficar mais ordenado quando entra em contato com outro sistema maior, mas este, por sua vez, fica mais desordenado, ainda que a desordem seja difícil de detectar porque o sistema é muito maior do que o primeiro, que se organizou. O efeito líquido, garante a equipe, é uma maior desordem.

Os pesquisadores afirmam que seu estudo permitirá um melhor entendimento de como o calor e a energia são transformados em escala quântica, com importantes aplicações no desenvolvimento de nanomáquinas, motores biológicos e computadores quânticos.

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