A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total de um sistema isolado sempre tende a aumentar com o tempo até atingir um máximo. Em outras palavras, a desorganização aumenta sem intervenção externa. O equipamento elétrico inevitavelmente aquece quando parte da energia é dissipada na forma de calor, em vez de ser usada para trabalho mecânico, e os objetos se deterioram com o tempo, mas não se regeneram espontaneamente.

Contudo, esta natureza intuitiva da entropia não se aplica necessariamente ao mundo microscópico. Os físicos, portanto, reinterpretaram a segunda lei, dando-lhe um toque estatístico:a entropia de fato aumenta, mas há uma probabilidade não nula de que às vezes pode diminuir.

Por exemplo, em vez de calor fluindo de um corpo quente para um frio, como sempre, pode fluir de um corpo frio para um quente em certas situações. Teoremas de flutuação (FTs) quantificaram essa probabilidade com precisão, e a questão tem interesse prático no que diz respeito à operação de máquinas em nanoescala. FTs foram propostos pela primeira vez em um artigo publicado em 1993 em Cartas de revisão física . O artigo foi escrito pelos cientistas australianos Denis Evans e Gary Morriss e pelo cientista holandês Ezechiel Cohen. Eles testaram um desses teoremas usando simulações de computador.

Um artigo publicado recentemente na mesma revista mostra que uma consequência dos FTs são as relações de incerteza termodinâmicas, que envolvem flutuações nos valores das quantidades termodinâmicas, como calor, trabalho e poder. O título do novo artigo é "Relações de incerteza termodinâmicas de teoremas de flutuação de câmbio."

O primeiro autor foi André Timpanaro, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC), Estado de São Paulo, Brasil. O principal investigador do estudo foi Gabriel Landi, Professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP). Giacomo Guarnieri e John Goold, afiliado ao Departamento de Física do Trinity College Dublin (Irlanda), também participou.

Relações de incerteza

"As origens físicas das relações de incerteza termodinâmica eram obscuras até agora. Nosso estudo mostra que elas podem ser derivadas de FTs, "Landi disse.

"Quando começamos a estudar termodinâmica, tivemos que lidar com quantidades como calor, trabalho e poder, aos quais sempre atribuímos valores fixos. Nunca imaginamos que eles poderiam flutuar, mas eles fazem. No mundo microscópico, essas flutuações são relevantes. Eles podem influenciar as operações de uma máquina em nanoescala, por exemplo. As relações de incerteza termodinâmica estabelecem um piso para essas flutuações, ligando-os a outras quantidades, como o tamanho do sistema. "

As relações de incerteza termodinâmica foram descobertas em 2015 por um grupo de pesquisadores liderados por Udo Seifert na Universidade de Stuttgart, na Alemanha. André Cardoso Barato, ex-aluno do IF-USP e atualmente professor da University of Houston (EUA), participou da descoberta.

A estrutura matemática dessas relações se assemelha ao princípio da incerteza de Heisenberg, mas eles não têm nada a ver com a física quântica; eles são puramente termodinâmicos. "A natureza das relações de incerteza termodinâmica nunca foi muito clara, "Landi disse." Nossa principal contribuição foi mostrar que eles derivam de FTs. Acreditamos que os FTs descrevem a segunda lei da termodinâmica de forma mais geral e que as relações de incerteza termodinâmica são uma consequência dos FTs. "

De acordo com Landi, esta generalização da segunda lei da termodinâmica trata as quantidades termodinâmicas como entidades que podem flutuar, embora não arbitrariamente, uma vez que devem obedecer a certas simetrias. "Existem vários teoremas de flutuação, "disse ele." Encontramos uma classe especial de FTs e nos concentramos neles como casos de simetria matemática. Desta forma, transformamos nosso problema em um problema matemático. Nosso principal resultado foi um teorema da teoria da probabilidade. "