Cientistas Brasileiros conseguem reverter a direção do fluxo de calor

Um estudo publicado na Nature Communications (1), e realizado por pesquisadores do Centro Brasileiro para Pesquisa em Física (CBpf), da Universidade Federal do ABC (UFABC) e de outras instituições colaboradoras, mostrou que correlações quânticas afetam o modo como a entropia é distribuída entre partes em contato térmico, revertendo a direção do fluxo normal de calor (sentido termodinâmico do tempo) sem a necessidade de investir energia no processo e sem quebrar a Segunda Lei da Termodinâmica. Esse é mais um estudo ligado ao famoso problema - já resolvido - do Demônio de Maxwell (2).

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(2) Leitura mais do que recomendada:  O Demônio de Maxwell


O calor naturalmente flui de objetos quentes para objetos frios (3). Quando um corpo frio e um quente estão em contato térmico, eles trocam energia calorífera até que ambos alcancem o equilíbrio térmico, ou seja, a mesma temperatura à medida que o corpo frio esquenta e o corpo quente esfria. Esse é um fenômeno Físico que é observado a todo momento e constitui a base da Segunda Lei da Termodinâmica, a qual define que a entropia total de um sistema isolado sempre tende a crescer ao longo do tempo até alcançar um máximo. A entropia é, basicamente, a medida de desordem em um sistema. Sistemas isolados evoluem espontaneamente em direção a estados desordenados e falta de diferenciação.

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(3) Para saber mais, acesse: Por que o calor vai do quente para o frio?


Porém, com a ajuda de um "Demônio", informação pode ser usada para manipular um sistema de forma a quebrar essa regra de fluxo do calor, via correlações hipotéticas (Demônio de Maxwell) ou na prática via correlações quânticas. Correlações representam informações compartilhada entre diferentes sistemas. No mundo macroscópico - mundo que enxergamos - descrito pelas leis clássicas da Física, a adição de energia de uma fonte externa pode reverter o fluxo de calor em um sistema, para que calor vá do frio para o quente. Isso acontece notavelmente nos nossos refrigeradores, onde o motor faz o papel da fonte de energia externa. Nesse caso, assumimos que os sistemas estão não-correlacionados antes do contato térmico, seguindo a termodinâmica padrão. Mas na escala quântica ou mesmo na micro-escala essa reversão de fluxo pode ser alcançada via "simples" troca de informações.

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No novo estudo - detalhado teoricamente e experimentalmente em um artigo publicado ontem no periódico da Nature -, os pesquisadores realizaram um experimento nanoscópico, onde correlações quânticas produziram um efeito análogo àquele via adição de energia externa. E levando em conta elementos da teoria da informação (2), os pesquisadores encontraram uma forma generalizada da segunda lei da termodinâmica na descrição de transferências de calor - algo também já explorado por outros estudos nos últimos anos - e também demonstraram o papel das correlações quânticas no processo.

O experimento foi realizado com um amostra de moléculas de clorofórmico (as quais são compostas por um átomo de carbono, três átomos de cloro e um átomo de hidrogênio) marcadas com um isótopo carbono-13. A amostra foi diluída em solução e analisada através de um espectrômetro de ressonância magnética nuclear (RMN), um instrumento bastante recorrente de análise química que gera poderosos campos magnéticos via supercondutores.

Com o RMN, os pesquisadores investigaram as mudanças de temperatura associadas aos spins dos núcleos dos átomos de hidrogênio e de carbono. Foram usados pulsos de rádio frequência para colocar o spin (propriedade intrínseca das partículas subatômicas que pode adquirir o valor de -1/2 ou de +1/2) de cada núcleo em diferentes temperaturas, um mais frio, outro mais quente. Mesmo com a diferença de temperatura imposta sendo muito pequena - na ordem de dezenas de bilionésimos de 1 Kelvin -, hoje a ciência já possui técnicas que permitem a manipulação e a mensuração de sistemas quânticas com extrema precisão. Nesse caso, os pesquisadores mediram as flutuações de rádio frequência produzidas pelo núcleo atômico, e explorando duas situações: uma em que os núcleos de hidrogênio e carbono começam o processo não-correlacionados, e a outra em que eles iniciam quanticamente correlacionados.

Na primeira situação (ausência de correlação), os pesquisadores observaram calor fluindo no sentido natural, do quente para o frio, até os spins alcançarem a mesma temperatura. Já na segunda situação (correlação), foi observado um fluxo de calor indo na direção oposta, do frio para o quente, e com esse efeito durando poucos milésimos de um segundo, até a correlação inicial (informações) ser totalmente consumida. Nesse sentido, fica demonstrado que um processo de refrigeração quântica pode funcionar a base de correlações via troca de informações entre objetos, por exemplo, ao invés de um motor de geladeira.

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Esse tipo de experimento reforça que informação está longe de ser algo intangível. Informação requer um substrato físico, uma memória. Se você quer apagar 1 bit de memória de um flash drive, você precisa gastar 10 mil vezes a quantidade mínima de energia consistindo da constante de Boltzmann vezes a temperatura absoluta. Esse mínimo requerido de energia para apagar informação é conhecido como o princípio de Landauer. Isso explica o porquê de apagar informação é um processo que gera calor. A bateria de um Notebook é consumida pelo calor mais do qualquer outra coisa, por exemplo.

Os resultados do novo estudo mostram que as informações presentes nas correlações quânticas podem ser usadas para realizar trabalho, nesse caso a transferência de calor de um objeto mais frio para um mais quente, sem o consumo externo de energia. Também sugere que a quantificação da correlação de dois sistemas pode ser feita através de bits, reforçando a Ciência da Informação Quântica, a qual é baseada nas conexões entre mecânica quântica e teoria da informação. Esse novo ramo da ciência pode ter grande impacto no desenvolvimento e aperfeiçoamento de computadores quânticos.


(1) Publicação do estudo: Nature

Referência adicional: Agência Fapesp