Repensando Carnot: Los científicos superan el tradicional trade-off entre potencia y eficiencia energética

31 de enero de 2025                                                  característica

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por Tejasri Gururaj, Phys.org

Desafiando suposiciones centenarias sobre la termodinámica, un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters ha demostrado que es teóricamente posible diseñar un motor de calor que logre una potencia máxima de salida mientras se acerca a la eficiencia de Carnot.

El motor de calor de Carnot es un dispositivo termodinámico que convierte el calor en trabajo mecánico al operar entre dos reservorios de temperatura, uno caliente y otro frío.

El motor funciona tomando calor del reservorio caliente, convirtiendo parte de él en trabajo útil y rechazando el calor restante al reservorio frío. El ciclo termodinámico seguido por el motor es conocido como ciclo de Carnot.

En un caso ideal, este proceso sería perfectamente reversible y el motor de Carnot tendría máxima eficiencia. En realidad, los motores de calor reales no son reversibles y pierden energía en forma de calor.

Por lo tanto, la eficiencia de un motor de calor real siempre es menor que la de un motor de calor de Carnot que opera entre los mismos reservorios. Esta es la segunda ley de la termodinámica.

El desafío al construir un motor de calor que tenga una eficiencia cercana a la del motor de calor de Carnot es que lleva tiempo infinito hacer el trabajo con una potencia mínima.

Los investigadores abordaron este problema con un motor de calor bioquímico. Phys.org habló con los coautores del estudio, el Prof. Asistente Yu-Han Ma de la Universidad Normal de Beijing y el Dr. B. Shiling Liang del Centro de Biología de Sistemas Dresden.

El Prof. Ma dijo: 'Este trabajo colaborativo surgió de una discusión entre Shiling y yo a fines de 2022. En ese momento, en sus primeras exploraciones, Shiling descubrió que la degeneración podía aumentar la eficiencia en la potencia máxima (EMP) de los motores de calor'.

El Dr. Liang agregó: 'Basándome en un modelo de plegado de polímeros en mi trabajo anterior, desarrollé un motor de calor mínimo que, sorprendentemente, mostró el potencial de superar algunos límites aceptados de la eficiencia de un motor de calor en la potencia máxima. Este hallazgo inesperado me llevó a comunicarme con Yu-Han, iniciando nuestra colaboración en este proyecto'.

Los motores de calor, que convierten la energía térmica en trabajo útil, han sido fundamentales para la civilización humana desde la Revolución Industrial.

Sin embargo, siempre han enfrentado un dilema aparentemente insuperable cuando se trata de alcanzar la eficiencia de Carnot. Podrían operar a máxima eficiencia moviéndose muy lentamente (básicamente produciendo poco poder) o generar energía útil sacrificando eficiencia.

El más notable es el 'principio de universalidad 1/2'. Según esto, los motores de calor que operan en el régimen de respuesta lineal (pequeñas diferencias de temperatura) solo pueden lograr la mitad de la eficiencia de Carnot en la potencia máxima.

'Esta relación de compensación se ha demostrado ser universal en varias situaciones, especialmente en motores de calor de baja disipación, donde la eficiencia en la potencia máxima tiene un límite superior claro, y hay una brecha significativa entre él y la eficiencia de Carnot', explicó el Prof. Ma.

La solución vino en forma de un sistema con niveles de energía degenerados, lo que significa que cada nivel de energía tiene diferentes estados o configuraciones microscópicas, todos correspondientes al mismo nivel de energía.

El modelo consta de dos estados, un estado de baja y alta energía, con el estado de alta energía capaz de acomodar muchas más configuraciones moleculares, es decir, una mayor degeneración.

Hay dos vías de reacción para que ocurran transiciones entre los niveles de energía. Una reacción impulsada por hidrólisis de ATP ocurre a bajas temperaturas y la transición espontánea sucede a altas temperaturas.

A altas temperaturas, el sistema tiende naturalmente hacia el estado de alta energía porque puede acceder a las muchas configuraciones posibles disponibles en este estado. Esto hace que la transición espontánea sea más probable de ocurrir, y esta vía no requiere ATP.

Por otro lado, a temperaturas más bajas, la reacción impulsada por hidrólisis de ATP es más probable y puede llevar el sistema del estado de baja energía al estado de alta energía.

A medida que el tamaño del sistema aumenta, lo que significa que el estado de alta energía puede acomodar cada vez más configuraciones en comparación con el estado de baja energía, las transiciones se vuelven más abruptas o parecidas a un interruptor. Estos tipos de transiciones se conocen como transiciones de fase de primer orden y ocurren con una pérdida de energía mínima.

'Al construir un modelo mínimo que incorpora esta característica, pudimos demostrar cómo rompe los límites termodinámicos convencionales y revelar el mecanismo físico detrás de la ventaja colectiva', explicó el Dr. Liang.

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Los investigadores demostraron que su motor bioquímico puede lograr la eficiencia de Carnot mientras mantiene la máxima potencia de salida a medida que el tamaño del sistema se acerca al infinito. La potencia aumenta linealmente con el tamaño del sistema mientras que la eficiencia se acerca al límite de Carnot.

El Dr. Liang habló del principio de diseño de su modelo: 'Diseñar sistemas con estados de alta degeneración puede mejorar significativamente el rendimiento de los motores térmicos.

'Esto es similar a cómo el motor de Carnot, aunque idealizado, ha guiado el desarrollo de motores térmicos prácticos durante siglos. Aunque la degeneración perfecta no sea posible, ahora sabemos que aumentar la degeneración puede ser una estrategia valiosa para desarrollar motores térmicos más eficientes'.

El estudio también muestra la violación de una universalidad bien establecida.

El Prof. Ma explicó: 'Nuestra investigación muestra que esta universalidad se viola en el límite de alta degeneración.

'El orden de tomar los límites de la eficiencia de Carnot y la degeneración afecta al coeficiente de proporcionalidad del EMP con respecto a la eficiencia de Carnot. Esto implica que cuando el sistema tiene una cantidad intrínseca divergente, algunas restricciones termodinámicas convencionales pueden necesitar ser reexaminadas'.

Además, el sistema opera como un motor bioquímico que puede sintetizar ATP, lo que lo hace relevante para sistemas biológicos. El siguiente paso sería encontrar motores térmicos prácticos con estas propiedades, lo cual es un desafío. El Dr. Liang señaló que los biopolímeros son candidatos prometedores, ya que naturalmente poseen estados desplegados altamente degenerados.

Más información:                                                   Shiling Liang et al, Modelo mínimo para la eficiencia de Carnot a máxima potencia, Cartas de Revisión Física (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323

Información de la revista:                                                   arXiv                                                   ,                                                    Cartas de Revisión Física

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