La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado siempre tiende a aumentar con el tiempo hasta alcanzar un máximo. En otras palabras, la desorganización aumenta sin intervención externa. Los equipos eléctricos se calientan inevitablemente porque parte de la energía se disipa en forma de calor en lugar de utilizarse para trabajos mecánicos. y los objetos se deterioran con el tiempo pero no se regeneran espontáneamente.

Sin embargo, esta naturaleza intuitiva de la entropía no se aplica necesariamente al mundo microscópico. Por lo tanto, los físicos han reinterpretado la segunda ley dándole un giro estadístico:la entropía de hecho aumenta, pero existe una probabilidad no nula de que a veces disminuya.

Por ejemplo, en lugar de que el calor fluya de un cuerpo caliente a uno frío, como siempre, puede fluir de un cuerpo frío a uno caliente en determinadas situaciones. Los teoremas de fluctuación (FT) cuantificaron esta probabilidad con precisión, y el tema tiene interés práctico en lo que respecta al funcionamiento de máquinas a nanoescala. Los FT fueron propuestos por primera vez en un artículo publicado en 1993 en Cartas de revisión física . El artículo fue escrito por los científicos australianos Denis Evans y Gary Morriss y el científico holandés Ezechiel Cohen. Probaron uno de estos teoremas usando simulaciones por computadora.

Un artículo publicado recientemente en la misma revista muestra que una consecuencia de las FT son las relaciones de incertidumbre termodinámica, que implican fluctuaciones en los valores de cantidades termodinámicas como el calor, trabajo y poder. El título del nuevo artículo es "Relaciones de incertidumbre termodinámica derivadas de los teoremas de fluctuación de cambio".

El primer autor fue André Timpanaro, profesor de la Universidad Federal de la ABC (UFABC), Estado de São Paulo, Brasil. El investigador principal del estudio fue Gabriel Landi, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP). Giacomo Guarnieri y John Goold, afiliado al Departamento de Física del Trinity College Dublin (Irlanda), también participó.

Relaciones de incertidumbre

"Los orígenes físicos de las relaciones de incertidumbre termodinámica eran oscuros hasta ahora. Nuestro estudio muestra que pueden derivarse de FT, "Dijo Landi.

"Cuando comenzamos a estudiar termodinámica, tuvimos que lidiar con cantidades tales como el calor, trabajo y poder, a lo que siempre asignamos valores fijos. Nunca imaginamos que pudieran fluctuar pero lo hacen. En el mundo microscópico estas fluctuaciones son relevantes. Pueden influir en el funcionamiento de una máquina a nanoescala, por ejemplo. Las relaciones de incertidumbre termodinámica establecen un piso para estas fluctuaciones, vinculándolos a otras cantidades, como el tamaño del sistema ".

Las relaciones de incertidumbre termodinámica fueron descubiertas en 2015 por un grupo de investigadores dirigido por Udo Seifert en la Universidad de Stuttgart en Alemania. André Cardoso Barato, ex alumno de IF-USP y actualmente profesor de la Universidad de Houston (EE. UU.), participó en el descubrimiento.

La estructura matemática de estas relaciones se asemeja a la del principio de incertidumbre de Heisenberg, pero no tienen nada que ver con la física cuántica; son puramente termodinámicos. "La naturaleza de las relaciones de incertidumbre termodinámica nunca ha sido muy clara, ", Dijo Landi." Nuestra principal contribución fue mostrar que se derivan de los FT. Creemos que los FT describen la segunda ley de la termodinámica de manera más general y que las relaciones de incertidumbre termodinámica son una consecuencia de los FT ".

Según Landi, esta generalización de la segunda ley de la termodinámica maneja las cantidades termodinámicas como entidades que pueden fluctuar, aunque no arbitrariamente, ya que deben obedecer a ciertas simetrías. "Hay varios teoremas de fluctuación, ", dijo." Encontramos una clase especial de FT y nos enfocamos en ellos como casos de simetría matemática. De esta forma, transformamos nuestro problema en un problema matemático. Nuestro principal resultado fue un teorema de la teoría de la probabilidad ".