La revista Physical Review Letters publica el artículo “Irreversible Work and Inner Friction in Quantum Thermodynamic Processes” sobre el trabajo desarrollado por Fernando Galve y Roberta Zambrini, investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos, IFISC (CSIC-UIB) en esta materia.
El estudio de la termodinámica en los últimos siglos ha supuesto notables avances en la vida cotidiana del ser humano, como los motores de explosión o los frigoríficos, sin los cuales difícilmente nos imaginaríamos ahora mismo el mundo. Estos procesos hacen uso de ciclos en los cuales un gas se comprime y expande, en el motor de un coche es el aire mezclado con gasolina que expande la válvula, en una nevera es otro gas con propiedades específicas para la tarea. Dichos ciclos intercambian calor con el entorno y finalmente dan como resultado un trabajo neto que nosotros usamos para realizar tareas útiles.
La discusión teórica de las propiedades termodinámicas de estos ciclos se remonta prácticamente a los orígenes de esta disciplina, hace siglo y medio, sin embargo los avances en física cuántica y la capacidad de reducir los procesos industriales a la escala microscópica ha resucitado hace unos años el interés sobre la termodinámica en régimen cuántico.
A escala microscópica las cosas empiezan a funcionar de manera estadística: las propiedades concretas de la materia fluctúan con el tiempo, siendo estas fluctuaciones debidas a la agitación térmica, en el caso clásico, y debidas a una agitación irreducible y fundamental, en el caso cuántico. Es por esto que parte de los avances de la termodinámica han sido tanto en el estudio de los promedios (cuánto calor o trabajo saco en promedio de un ciclo termodinámico) como en el estudio de las fluctuaciones alrededor de estos promedios.
El trabajo desarrollado en el IFISC (CSIC-UIB) se centra en traducir un ciclo fundamental de la termodinámica, el ciclo de Otto, al lenguaje cuántico. Dicho ciclo está detrás del funcionamiento de los motores de explosión, que constan de una expansión/compresión adiabáticas y de termalización con el entorno (adecuación de la temperatura a la temperatura del exterior). Previamente se habían traducido al lenguaje cuántico las ramas isotérmicas y sus fluctuaciones (protagonista del ciclo de Carnot por ejemplo), dando lugar a teoremas fundamentales para esos procesos y la definición de trabajo irreversible. En el artículo de Physical Review Letters se hace una labor equivalente para los procesos adiabáticos, dando un teorema de fluctuación válido para estos ciclos fundamentales, y definiendo una nueva medida de irreversibilidad que los autores denominan fricción interna.
La utilidad de estos estudios se verá aumentada a medida que los procesos industriales empiecen a trabajar a escalas nanoscópicas y los efectos cuánticos empiecen a tomar un papel cada vez más fundamental.
Referencia bibliográfica:
F. Plastina, A. Alecce, T.J.G. Apollaro, G. Falcone, G. Francica, F. Galve, N. Lo Gullo, and R. Zambrini, Physical Review Letters 113, 260601 (2014).
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.260601