Dá para superar segunda lei da termodinâmica no reino quântico, dizem físicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/11/2025

Motor quântico de dois osciladores, que os dois físicos afirmam ser possível construir em escala atômica.
[Imagem: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Termodinâmica quântica

A discussão sobre a existência ou não de uma termodinâmica quântica tem animado os físicos porque a questão tem implicações muito amplas, envolvendo desde a construção de baterias quânticas até motores em escala atômica com uma eficiência imbatível.

Milton Aguilar e Eric Lutz, da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, afirmam agora ter em mãos a prova matemática de que a mecânica quântica supera a segunda lei da termodinâmica na escala atômica.

O efeito é dramático: Assim com um computador quântico pode apresentar uma supremacia quântica, resolvendo problemas impraticáveis para um computador clássico, pode haver então uma supremacia para motores, por exemplo, bastando que motores sejam construídos usando as propriedades da mecânica quântica.

Especificamente, os dois pesquisadores afirmam ter provado que o princípio de Carnot, uma lei central da termodinâmica, não se aplica a objetos na escala atômica, cujas propriedades físicas estão vinculadas por fenômenos só existentes no reino quânticos. Esses objetos, conhecidos como correlacionados, compartilham propriedades sem precisar trocar nenhuma informação - é o caso das partículas associadas pelo entrelaçamento quântico.

Se a prova apresentada pela dupla se sustentar, então volta a ser possível construir motores quânticos, máquinas em escala atômica com uma eficiência absoluta.

"Motores minúsculos, do tamanho de um único átomo, podem se tornar realidade no futuro," disse Lutz. "Agora também é evidente que esses motores podem atingir uma eficiência máxima maior do que motores térmicos maiores."

Regimes de operação de motores correlacionados, ou seja, compartilhando propriedades por meio do entrelaçamento quântico. Dependendo do valor da razão entre as contribuições térmica e atérmica, os motores correlacionados podem produzir trabalho convertendo calor (regime térmico) ou recursos entrópicos, como correlações (regime atérmico).
[Imagem: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Supremacia mecânica quântica

Em 1824, o físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) calculou a conversão ideal de calor em trabalho, estabelecendo um limite superior para a eficiência com que se pode converter calor em trabalho, ou vice-versa, fazendo um sistema fechado ciclar por diferentes temperaturas e pressões.

Isso inclui os motores a combustão interna e as turbinas a vapor, que são motores térmicos, convertendo calor em movimento, ou, mais precisamente, energia térmica em movimento mecânico.

A questão está em saber se, conforme os motores forem miniaturizados - eles já chegaram à escala microscópica -, eles sempre terão que obedecer ao princípio de Carnot, ou se eles vão se livrar dessa obrigatoriedade e apresentar uma "vantagem quântica".

"Carnot demonstrou que a diferença de temperatura tem uma influência decisiva: Quanto maior a diferença entre quente e frio, maior a eficiência máxima possível de uma máquina térmica. No entanto, o princípio de Carnot negligencia a influência das chamadas correlações quânticas. Estas são ligações especiais que se formam entre partículas em uma escala muito pequena.

"Pela primeira vez, derivamos leis generalizadas da termodinâmica que levam em conta completamente essas correlações. Nossos resultados mostram que máquinas térmicas operando em escala atômica podem converter não apenas calor, mas também correlações em trabalho. Como resultado, elas podem produzir mais trabalho - e a eficiência de uma máquina quântica pode superar o limite tradicional de Carnot," escreveram os dois físicos.

O avanço anterior nesta área mostrou um experimento no qual o calor é convertido em eletricidade muito acima do limite teórico.
[Imagem: Institute of Science Tokyo]

Prudência e paciência

O trabalho dos dois físicos acaba de ser publicado, o que significa que outros especialistas já acharam as conclusões válidas. Mas talvez não seja ainda o suficiente para dar a palavra final sobre o assunto.

Caso você não acompanhe o assunto, saiba que, em 2023, dois outros físicos publicaram um artigo cuja conclusão era a de que não existe uma "segunda lei do entrelaçamento", um equivalente quântico da segunda lei da termodinâmica.

Contudo, menos de um ano depois, a mesma dupla encontrou brechas em seu próprio trabalho, o que fez com que publicassem outro artigo com a conclusão oposta, ou seja, de que existe sim uma termodinâmica quântica.

Enquanto isso, há pouco mais de dois meses, outra equipe encontrou um outro modo de reforçar esta última conclusão, isto é, que existe uma lei análoga à segunda lei da termodinâmica para o mundo quântico. E eles fizeram isto usando justamente o entrelaçamento quântico, que os físicos acreditavam ser irreversível.

Assim, talvez seja mais prudente esperar pelos próximos capítulos desta discussão quântica.

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