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Una nanoesfera demuestra que la segunda ley de la termodinámica no siempre se cumple

Transmite calor al gas circundante, que está más caliente, en contradicción con dicha ley


Una nanoesfera de cristal ha demostrado que, a nivel nanométrico, se incumple de forma temporal la segunda ley de la termodinámica, la que dice que el desorden de un sistema nunca disminuye de forma espontánea. Físicos de varios países han hecho levitar esta esfera mediante luz láser, y han observado que transmite calor al gas circundante, que está más caliente que ella, en contradicción con la segunda ley.





Ilustración de una nanopartícula atrapada por un láser. Imagen: Iñaki Gonzalez y Jan Gieseler.
Ilustración de una nanopartícula atrapada por un láser. Imagen: Iñaki Gonzalez y Jan Gieseler.
Mirar una película al revés a menudo causa gracia porque sabemos que los procesos en la naturaleza no suelen revertirse. La ley física que explica este comportamiento es la segunda ley de la termodinámica, que postula que la entropía de un sistema, una medida de su desorden, nunca disminuye de forma espontánea. Esto favorece el desorden –alta entropía– frente al orden –baja entropía–.

Sin embargo, cuando nos adentramos en el mundo microscópico de los átomos y las moléculas, esta ley pierde su rigidez absoluta. De hecho, a escalas nano la segunda ley puede ser violada de forma temporal en algunas raras ocasiones, como por ejemplo la transferencia de calor desde un sistema frío a uno caliente.

Ahora un equipo de físicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (Suiza) y la Universidad de Viena (Austria) han logrado predecir con exactitud la probabilidad de eventos que violan de forma temporal la segunda ley de la termodinámica.

Idearon, explica Sinc, un teorema de fluctuación matemática y lo pusieron a prueba utilizando una pequeña esfera de cristal, menor a 100 nanómetros en diámetro, y atrapándola y haciéndola levitar mediante luz láser.

De esta forma se logró capturar la nanoesfera y mantenerla levitando en su lugar, así como medir su posición en las tres dimensiones del espacio con extrema precisión. Dentro de la trampa, la nanoesfera se mantiene en movimiento debido a colisiones con las moléculas de gas circundantes.

Utilizando una técnica para manipular la trampa de láser, los científicos lograron enfriar la nanoesfera por debajo de la temperatura del gas circundante, conduciéndola a un estado de inestabilidad. Después apagaron la refrigeración y observaron como la partícula lograba relajarse hacia una mayor temperatura a través de la transferencia de energía desde las moléculas de gas a la esfera.

Contradicción

Sin embargo, observaron que la pequeña esfera de cristal en ocasiones excepcionales no se comporta como debería según la segunda ley de la termodinámica: en vez de absorber calor, lo libera al gas de alrededor, que se encuentra más caliente.

El resultado y el teorema planteado confirma la existencia de limitaciones en la segunda ley a escala nanométrico, y sugiere su revisión. En este nanomundo se mueven objetos como los bloques constituyentes de las células vivas o dispositivos nanotecnológicos, que están expuestos continuamente a un zarandeo aleatorio debido al movimiento térmico de las moléculas que están a su alrededor. Según los autores, el marco teórico y experimental, publicado en la revista Nature Nanotechnology, puede tener aplicaciones en esos campos.

A medida que la miniaturización se acerca cada vez más a escalas nanométricas, las nanomáquinas experimentarán condiciones cada vez más aleatorias. Por tanto, los estudios futuros buscarán entender a fondo la física fundamental de los sistemas a nanoescala fuera de equilibrio. La investigación será fundamental para ayudar a comprender cómo las nanomáquinas se comportan en esas condiciones fluctuantes.

Referencia bibliográfica:

Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, Lukas Novotny. Dynamic Relaxation of a Levitated Nanoparticle from a Non-Equilibrium Steady State. Nature Nanotechnology (2014). DOI: 10.1038/NNANO.2014.40.


Lunes, 31 de Marzo 2014
ICFO/SINC/T21
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1.Publicado por Sergio el 31/03/2014 15:51
Qué descubrimiento con más cojones.

2.Publicado por Luis P.C el 02/04/2014 11:29
Podemos calentar al sol con una linterna?
Si las partículas elementales son diferentes por su tamaño y características,también puede ser posible que la entropia de las mismas en dependencia de las longitudes de hondas que actúen sobre las ellas, sea diferente incluso cundo cuando unas forman parte de las otras.
Con esto quiero decir que por ejemplo.
Un átomo excitado puede encontrarse formando parte de una molécula en un relativo reposo.
Por ejemplo el agua se evapora a 100 grados C,pero si excitar sus partículas no solo con calor,accionando sobre ellas con diferentes longitudes de hondas,el vapor puede que se caliente aun mas.
Si esto ocurre podemos responder a la pregunta."Si" podemos calentar el sol con una linterna,si existe en el una partícula que con las longitudes de hondas derivadas de las reacciones nucleares del sol,no se caliente hasta saturarse.
Esto explicaría
1_ En primer lugar:Que la segunda ley de la termodinámica si se cumple aunque aparentemente no lo parezca,porque el calor separado por sus longitudes podría fluir en doble dirección.
2_En segundo lugar: Seria una buena razón para explicar la gran diferencia de temperatura entre el núcleo y la atmósfera del sol.

No me hagan mucho caso, yo soy solo un sonador.
Gracias y saludos a todos.

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