Um novo estudo liderado por cientistas de Espanha e Alemanha encontrou uma assimetria fundamental, mostrando que o aquecimento é consistentemente mais rápido do que o arrefecimento, desafiando as expectativas convencionais e introduzindo o conceito de “cinemática térmica” para explicar este fenómeno. As descobertas foram publicadas na Nature Physics .



Tradicionalmente, o aquecimento e o resfriamento, processos fundamentais na termodinâmica, têm sido percebidos como simétricos, seguindo caminhos semelhantes.

A nível microscópico, o aquecimento envolve a injeção de energia em partículas individuais, intensificando o seu movimento. Por outro lado, o arrefecimento implica a libertação de energia, amortecendo o seu movimento. No entanto, uma questão sempre permaneceu:Porque é que o aquecimento é mais eficiente do que o arrefecimento?

Para responder a essas perguntas, pesquisadores liderados pelo Prof. Associado Raúl A. Rica Alarcón da Universidade de Granada na Espanha e pelo Dr. Aljaz Godec do Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares na Alemanha introduziram uma nova estrutura:cinemática térmica.

Falando sobre sua motivação por trás da exploração de um tópico tão fundamental, o Prof. Alarcón disse ao Phys.org:"Desde a infância, fico intrigado com o motivo pelo qual o aquecimento é mais eficiente do que o resfriamento. E tenho perguntas como:'Por que não temos um dispositivo como um forno de micro-ondas para resfriamento rápido?'"

Dr. Godec acrescentou:"Os fenômenos de relaxamento térmico sempre foram um grande tópico de pesquisa no grupo (estes são problemas difíceis na física do desequilíbrio). No entanto, questões específicas sobre a assimetria de aquecimento e resfriamento foram inicialmente provocadas pela intuição matemática. Nós fizemos isso. Não espere que a resposta seja tão impressionante."

Processos em escala microscópica

No nível microscópico, o aquecimento e o resfriamento são processos que envolvem a troca e redistribuição de energia entre partículas individuais dentro de um sistema.

No contexto da investigação recente, o foco está na compreensão da dinâmica de sistemas microscópicos submetidos a relaxamento térmico – como estes sistemas evoluem quando sujeitos a mudanças de temperatura.

No aquecimento, a energia é injetada em cada partícula de um sistema, levando a uma intensificação do movimento das partículas. Isso faz com que eles se movam com mais vigor. Quanto maior a temperatura, mais intenso é o movimento browniano (ou aleatório) dessas partículas devido ao aumento das colisões com as moléculas de água circundantes.

Por outro lado, o resfriamento no nível microscópico envolve a liberação de energia de partículas individuais, resultando no amortecimento do seu movimento. Este processo corresponde à perda de energia do sistema, levando a uma diminuição na intensidade do movimento das partículas.

“Nosso trabalho é dedicado à análise da evolução de um sistema microscópico depois que ele é afastado do equilíbrio. Consideramos a termalização de um sistema microscópico, ou seja, como um sistema a uma determinada temperatura evolui para a temperatura de um banho térmico. é colocado em contato", explicou o Dr. Godec.

Prof. Alarcón. explicou ainda:"Um exemplo claro seria tirar um objeto de um banho de água fervente (a 100 graus Celsius) e mergulhá-lo em uma mistura de água e gelo (a 0 graus Celsius)."

“Comparamos a rapidez com que o sistema se equilibra com o protocolo reverso quando o objeto está inicialmente no banho frio e aquecido em água fervente. Observamos que, na microescala, o aquecimento é mais rápido que o resfriamento, e explicamos isso teoricamente desenvolvendo um novo estrutura que chamamos de cinemática térmica."

Pinças ópticas e cinemática térmica

Os pesquisadores empregaram uma configuração experimental sofisticada para observar e quantificar a dinâmica de sistemas microscópicos submetidos a relaxamento térmico. No centro de seus experimentos estavam pinças ópticas – uma técnica poderosa que usa luz laser para capturar micropartículas únicas feitas de sílica ou plástico.

“Esses minúsculos objetos se movem de forma aparentemente aleatória devido às colisões com moléculas de água, executando o chamado movimento browniano enquanto são confinados a uma pequena região por uma pinça. será devido a colisões mais frequentes e intensas com moléculas de água", explicou o Prof. Alarcón.

Para induzir mudanças térmicas, os pesquisadores submeteram as micropartículas confinadas a temperaturas variadas. Eles controlaram cuidadosamente a temperatura do ambiente circundante por meio de um sinal elétrico ruidoso, simulando um banho termal.

“Nosso dispositivo experimental nos permite rastrear o movimento da partícula com extrema precisão, dando acesso a essas dinâmicas anteriormente inexploradas”, disse o Dr.

Ao manipular a temperatura e observar os movimentos resultantes, a equipe reuniu dados cruciais para compreender as complexidades do aquecimento e do resfriamento em nível microescala.

O desenvolvimento do referencial teórico (cinemática térmica) desempenhou um papel fundamental na explicação dos fenómenos observados. Esta estrutura combinou princípios da termodinâmica estocástica – uma generalização da termodinâmica clássica para trajetórias estocásticas individuais – com geometria da informação.

“Definindo distância e velocidade no espaço das distribuições de probabilidade, conduzimos provas matemáticas usando métodos de análise para mostrar que o efeito é geral”, explicou o Dr.

A cinemática térmica forneceu um meio quantitativo para elucidar a assimetria observada entre os processos de aquecimento e resfriamento. Isto permitiu aos investigadores não só validar previsões teóricas, mas também explorar a dinâmica entre quaisquer duas temperaturas, revelando um padrão consistente de aquecimento mais rápido do que o arrefecimento.

Assimetria e motores térmicos brownianos

O Prof. Alarcón e o Dr. Godec descobriram uma assimetria inesperada nos processos de aquecimento e resfriamento. Inicialmente com o objetivo de verificar experimentalmente uma teoria proposta pelos seus colegas do Instituto Max Planck, os investigadores descobriram que a assimetria se estendia para além de intervalos de temperatura específicos, sendo verdadeira para o aquecimento e o arrefecimento entre quaisquer duas temperaturas.

As implicações desta assimetria estendem-se aos motores térmicos brownianos – máquinas microscópicas concebidas para gerar trabalho útil a partir de diferenças de temperatura.

“Compreender como um sistema termaliza com diferentes banhos térmicos pode otimizar o processo de geração de energia. O tempo de equilíbrio torna-se um parâmetro chave para projetar com precisão os protocolos operacionais do dispositivo”, explicou o Prof.

Embora não existam aplicações práticas imediatas, os pesquisadores prevêem maior eficiência em micromotores, transporte de carga em microescala e materiais que podem ser automontados ou auto-reparados.

As implicações mais amplas sugerem contribuições para o desenvolvimento de novas teorias gerais para a dinâmica dos sistemas brownianos afastados do equilíbrio.

"Esperamos que o efeito não se limite a perturbações térmicas, extinção na composição, etc., e provavelmente exibirá assimetrias análogas. Neste ponto, é muito cedo para fazer declarações sobre essas situações, mas certamente já estamos pensando nisso ", acrescentou o Dr. Godec.

O professor Alarcón concluiu, dizendo:"Nosso objetivo é ampliar nossas descobertas para vários protocolos e sistemas, conduzindo experimentos envolvendo pequenos grupos de partículas interagentes e sistemas com simetria de reversão de tempo quebrada. Avançar na compreensão teórica e no controle matemático do estocástico não auto-adjunto sistemas é crucial para esta direção. Nossa estratégia contínua envolve o desenvolvimento simultâneo de experimentos e teorias."

Mais informações: M. Ibáñez et al, Aquecimento e resfriamento são fundamentalmente assimétricos e evoluem ao longo de caminhos distintos, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z
Informações do diário: Física da Natureza

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