Asimetría de eficiencia: Los científicos informan sobre una asimetría fundamental entre el calentamiento y el enfriamiento.

17 de enero de 2024 característica

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han destacado los siguientes atributos al tiempo que se asegura la credibilidad del contenido:

• verificado por hechos
• publicación revisada por pares
• fuente confiable
• corregido por errores

por Tejasri Gururaj, Phys.org

Un nuevo estudio liderado 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, siguiendo caminos similares.

En un nivel microscópico, el calentamiento implica inyectar energía en partículas individuales, intensificando su movimiento. Por otro lado, el enfriamiento implica la liberación de energía, atenuando su movimiento. Sin embargo, siempre ha quedado una pregunta: ¿Por qué el calentamiento es más eficiente que el enfriamiento?

Para responder a estas preguntas, los investigadores dirigidos por el profesor 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 de trabajo: cinemática térmica.

Hablando de su motivación para explorar un tema tan fundamental, el profesor Alarcón le dijo a Phys.org: 'Desde la infancia, me ha intrigado por qué el calentamiento es más eficiente que el enfriamiento. Y tengo preguntas como: '¿Por qué no tenemos un dispositivo como un horno de microondas para enfriar rápidamente?' '

El Dr. Godec agregó: 'Los fenómenos de relajación térmica siempre han sido un gran tema de investigación en el grupo (estos son problemas difíciles en física fuera del equilibrio). Sin embargo, las preguntas específicas sobre la asimetría del calentamiento y el enfriamiento fueron provocadas inicialmente por la intuición matemática. No esperábamos que la respuesta fuera tan sorprendente'.

En el nivel microscópico, el calentamiento y el enfriamiento son procesos que involucran el intercambio y redistribución de energía entre partículas individuales dentro de un sistema.

En el contexto de la investigación reciente, el enfoque se centra en comprender la dinámica de los sistemas microscópicos que experimentan relajación térmica, es decir, cómo evolucionan estos sistemas cuando se someten 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 vigor. A mayor temperatura, más intensa será la "movimiento Browniano" (o aleatorio) de estas partículas debido a un mayor número de 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 resulta en una disminución de su movimiento. Este proceso corresponde a la pérdida de energía del sistema, lo que conduce a una disminución de la intensidad del movimiento de las partículas.

'Nuestro trabajo se dedica al análisis de la evolución de un sistema microscópico después de haber sido alejado del equilibrio. Consideramos la termalización de un sistema microscópico, es decir, cómo evoluciona un sistema a una temperatura determinada hasta la temperatura de un baño térmico con el que se pone en contacto', explicó el Dr. Godec.

El profesor Alarcón también explicó: 'Un ejemplo claro sería tomar un objeto de un baño de agua hirviendo (a 100 grados Celsius) e sumergirlo en una mezcla de agua y hielo (a 0 grados Celsius).

'Comparamos qué tan rápido se equilibra el sistema con el protocolo inverso cuando el objeto está inicialmente en el baño frío y se calienta en agua hirviendo. Observamos que, a nivel microscópico, el calentamiento es más rápido que el enfriamiento, y explicamos esto teóricamente desarrollando un nuevo marco de trabajo que llamamos cinemática térmica.'

Los investigadores utilizaron una configuración experimental sofisticada para observar y cuantificar la dinámica de los sistemas microscópicos que experimentan relajación térmica. En el centro de su experimentación se encontraban pinzas ópticas, una técnica poderosa que utiliza luz láser para capturar micropartículas individuales hechas de sílice o plástico.

'Estos objetos diminutos se mueven de manera aparentemente aleatoria debido a las colisiones con las moléculas de agua, ejecutando el llamado movimiento Browniano mientras están confinados en una pequeña región por las pinzas. A mayor temperatura del agua, más intensa será la movilidad browniana debido 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 diferentes temperaturas. Controlaron cuidadosamente la temperatura del entorno circundante utilizando una señal eléctrica ruidosa, simulando un baño térmico.

'Nuestro dispositivo experimental nos permite rastrear el movimiento de la partícula con una precisión exquisita, lo que nos da acceso a estas dinámicas previamente inexploradas', dijo el Dr. Godec.

By manipulating the temperature and observing the resulting movements, the team gathered crucial data to understand the intricacies of heating and cooling at the microscale level.

The development of the theoretical framework (thermal kinematics) played a pivotal role in explaining the observed phenomena. This framework combined principles from stochastic thermodynamics—a generalization of classical thermodynamics to individual stochastic trajectories—with information geometry.

'Defining distance and speed in the space of probability distributions, we conducted mathematical proofs using methods from analysis to show that the effect is general,' explained Dr. Godec.

Thermal kinematics provided a quantitative means to elucidate the observed asymmetry between heating and cooling processes. This allowed the researchers not only to validate theoretical predictions but also to explore the dynamics between any two temperatures, revealing a consistent pattern of heating being faster than cooling.

Prof. Alarcón and Dr. Godec discovered an unexpected asymmetry in the heating and cooling processes. Initially aiming to experimentally verify a proposed theory by their colleagues at the Max Planck Institute, the researchers found that the asymmetry extended beyond specific temperature ranges, holding true for heating and cooling between any two temperatures.

The implications of this asymmetry extend to Brownian heat engines—microscopic machines designed to generate useful work from temperature differences.

'Understanding how a system thermalizes with different thermal baths can optimize the power generation process. The equilibration time becomes a key parameter for precisely designing the device's operational protocols,' explained Prof. Alarcón.

While no immediate practical applications exist, the researchers envision enhanced efficiency in micromotors, microscale cargo transport, and materials that can self-assemble or self-repair.

The broader implications suggest contributions to the development of new general theories for the dynamics of Brownian systems driven far from equilibrium.

'We expect that the effect is not limited to thermal perturbations, quenches in composition, etc., and will likely display analogous asymmetries. At this point, it is too early to make statements about these situations, but we are certainly already thinking about it,' added Dr. Godec.

Prof. Alarcón concluded, saying, 'We aim to broaden our findings to various protocols and systems, conducting experiments involving small groups of interacting particles and systems with broken time-reversal symmetry. Advancing theoretical understanding and mathematical control of non-self-adjoint stochastic systems is crucial for this direction. Our ongoing strategy involves concurrent development of experiments and theories.'

Journal information: Nature Physics

© 2024 Science X Network