Un nuevo estudio dirigido por científicos de España y Alemania ha encontrado una asimetría fundamental que muestra que el calentamiento es consistentemente más rápido que el enfriamiento, desafiando las expectativas convencionales e introduciendo el concepto de "cinemática térmica" para explicar este fenómeno. Los hallazgos se publican en Nature Physics. .
Tradicionalmente, el calentamiento y el enfriamiento, procesos fundamentales en termodinámica, se han percibido como simétricos y siguen caminos similares.
A nivel microscópico, el calentamiento implica inyectar energía en partículas individuales, intensificando su movimiento. Por otro lado, el enfriamiento implica la liberación de energía, amortiguando su movimiento. Sin embargo, siempre ha quedado una pregunta:¿Por qué la calefacción es más eficiente que la refrigeración?
Para responder a esta pregunta, investigadores dirigidos por el Prof. Asociado Raúl A. Rica Alarcón de la Universidad de Granada en España y el Dr. Aljaz Godec del Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias en Alemania han introducido un nuevo marco:la cinemática térmica.
Hablando de su motivación para explorar un tema tan fundamental, el Prof. Alarcón dijo a Phys.org:"Desde pequeño, me ha intrigado saber por qué la calefacción es más eficiente que la refrigeración. Y tengo preguntas como:'¿Por qué no tenemos un dispositivo como un horno microondas para un enfriamiento rápido?'"
El Dr. Godec añadió:"Los fenómenos de relajación térmica siempre han sido un gran tema de investigación en el grupo (estos son problemas difíciles en la física del desequilibrio). Sin embargo, las preguntas específicas sobre la asimetría de calentamiento y enfriamiento fueron provocadas inicialmente por la intuición matemática. No esperes que la respuesta sea tan sorprendente."
A nivel microscópico, el calentamiento y el enfriamiento son procesos que implican el intercambio y la redistribución de energía entre partículas individuales dentro de un sistema.
En el contexto de la investigación reciente, la atención se centra en comprender la dinámica de los sistemas microscópicos que experimentan relajación térmica:cómo evolucionan estos sistemas cuando se los somete a cambios de temperatura.
En el calentamiento, se inyecta energía en cada partícula de un sistema, lo que lleva a una intensificación del movimiento de las partículas. Esto hace que se muevan con más fuerza. Cuanto mayor es la temperatura, más intenso es el movimiento browniano (o aleatorio) de estas partículas debido al aumento de las colisiones con las moléculas de agua circundantes.
Por otro lado, el enfriamiento a nivel microscópico implica la liberación de energía de las partículas individuales, lo que da como resultado una amortiguación de su movimiento. Este proceso corresponde a que el sistema pierda energía, lo que lleva a una disminución en la intensidad del movimiento de las partículas.
"Nuestro trabajo está dedicado al análisis de la evolución de un sistema microscópico después de que se aleja del equilibrio. Consideramos la termalización de un sistema microscópico, es decir, cómo un sistema a una temperatura dada evoluciona hasta la temperatura de un baño termal. se pone en contacto", explicó el Dr. Godec.
Profesor Alarcón. explicó con más detalle:"Un ejemplo claro sería tomar un objeto de un baño de agua hirviendo (a 100 grados Celsius) y sumergirlo en una mezcla de agua y hielo (a 0 grados Celsius)".
"Comparamos la rapidez con la que el sistema se equilibra con el protocolo inverso cuando el objeto está inicialmente en el baño frío y se calienta en agua hirviendo. Observamos que, a microescala, el calentamiento es más rápido que el enfriamiento, y explicamos esto teóricamente desarrollando un nuevo marco que llamamos cinemática térmica."
Los investigadores emplearon una sofisticada configuración experimental para observar y cuantificar la dinámica de los sistemas microscópicos sometidos a relajación térmica. En el centro de su experimentación se encontraban las pinzas ópticas, una poderosa técnica que utiliza luz láser para capturar micropartículas individuales hechas de sílice o plástico.
"Estos pequeños objetos se mueven de forma aparentemente aleatoria debido a las colisiones con las moléculas de agua, ejecutando el llamado movimiento browniano mientras están confinados en una pequeña región mediante unas pinzas. Cuanto mayor es la temperatura del agua, más intenso es el movimiento browniano se deberá a colisiones más frecuentes e intensas con las moléculas de agua", explicó el profesor Alarcón.
Para inducir cambios térmicos, los investigadores sometieron las micropartículas confinadas a temperaturas variables. Controlaron cuidadosamente la temperatura del ambiente circundante mediante una señal eléctrica ruidosa, simulando un baño termal.
"Nuestro dispositivo experimental nos permite seguir el movimiento de la partícula con una precisión exquisita, dando acceso a esta dinámica previamente inexplorada", dijo el Dr. Godec.
Al manipular la temperatura y observar los movimientos resultantes, el equipo recopiló datos cruciales para comprender las complejidades del calentamiento y el enfriamiento a nivel de microescala.
El desarrollo del marco teórico (cinemática térmica) jugó un papel fundamental en la explicación de los fenómenos observados. Este marco combinó principios de la termodinámica estocástica (una generalización de la termodinámica clásica a trayectorias estocásticas individuales) con la geometría de la información.
"Al definir la distancia y la velocidad en el espacio de las distribuciones de probabilidad, realizamos pruebas matemáticas utilizando métodos de análisis para demostrar que el efecto es general", explicó el Dr. Godec.
La cinemática térmica proporcionó un medio cuantitativo para dilucidar la asimetría observada entre los procesos de calentamiento y enfriamiento. Esto permitió a los investigadores no solo validar las predicciones teóricas sino también explorar la dinámica entre dos temperaturas cualesquiera, revelando un patrón consistente en el que el calentamiento es más rápido que el enfriamiento.
El Prof. Alarcón y el Dr. Godec descubrieron una asimetría inesperada en los procesos de calentamiento y enfriamiento. Inicialmente con el objetivo de verificar experimentalmente una teoría propuesta por sus colegas del Instituto Max Planck, los investigadores descubrieron que la asimetría se extendía más allá de rangos de temperatura específicos, y se aplicaba tanto al calentamiento como al enfriamiento entre dos temperaturas cualesquiera.
Las implicaciones de esta asimetría se extienden a las máquinas térmicas brownianas:máquinas microscópicas diseñadas para generar trabajo útil a partir de diferencias de temperatura.
"Comprender cómo se termaliza un sistema con diferentes baños termales puede optimizar el proceso de generación de energía. El tiempo de equilibrio se convierte en un parámetro clave para diseñar con precisión los protocolos operativos del dispositivo", explicó el profesor Alarcón.
Si bien no existen aplicaciones prácticas inmediatas, los investigadores prevén una mayor eficiencia en micromotores, transporte de carga a microescala y materiales que puedan autoensamblarse o autorrepararse.
Las implicaciones más amplias sugieren contribuciones al desarrollo de nuevas teorías generales para la dinámica de sistemas brownianos alejados del equilibrio.
"Esperamos que el efecto no se limite a perturbaciones térmicas, enfriamientos en la composición, etc., y probablemente muestre asimetrías análogas. En este punto, es demasiado pronto para hacer declaraciones sobre estas situaciones, pero ciertamente ya estamos pensando en ello. ", añadió el Dr. Godec.
El profesor Alarcón concluyó diciendo:"Nuestro objetivo es ampliar nuestros hallazgos a varios protocolos y sistemas, realizando experimentos que involucren pequeños grupos de partículas que interactúan y sistemas con simetría de inversión de tiempo rota. Avanzar en la comprensión teórica y el control matemático de sistemas estocásticos no autoadjuntos Los sistemas son cruciales para esta dirección. Nuestra estrategia actual implica el desarrollo simultáneo de experimentos y teorías."
Más información: M. Ibáñez et al, El calentamiento y el enfriamiento son fundamentalmente asimétricos y evolucionan a lo largo de caminos distintos, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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