Conceptul de perpetuum mobile este foarte incitant. Imaginați-vă o mașină care funcționează continuu, fără să aibă nevoie de nicio energie exterioară - o caracteristică ce ar face alimentarea vehiculelor o chestiune ce ține de trecut. În timp ce o mașină perpetuum mobile inspiră posibilități foarte atrăgătoare, cei mai mulți  oamenii de știință sunt de acord că este imposibil să existe o astfel de mașină - a efectua lucru mecanic fără niciun aport de energie contrazice legile termodinamicii.

 

 

Cu toate acestea, câțiva cercetători și-au croit cu greu o cale, încercând să creeze sisteme asemănătoare unui perpetuum mobile la scară microscopică, incluzând sisteme spin și gaze cuantice suprarăcite, care sugerează că mașinile perpetuum mobile pot fi mai mult decât o noțiune iluzorie.


O gravură pe lemn a mașinii perpetuum mobile cu "șurub de apă" a lui Robert Fludd din 1618, creditată în general a fi prima încercare înregistrată de a descrie o asemenea mașinărie cu aplicații practice



Acum însă, matematicieni de la MIT și Max Planck Institute for Astrophysics au confruntat aceste idei cu ecuații care demonstrează că aceste sisteme, deși inovative, nu prezintă dinamica unui perpetuum mobile. Principala pretenție a unor astfel de experimente este că sunt capabile să producă sisteme cu temperaturi absolute negative, temperaturi sub 0 grade Kelvin. Dacă ar fi adevărat, asemenea sisteme ar putea fi folosite la construirea unor mașini care produc mai mult lucru mecanic decât energia consumată - caracteristica principală a unui perpetuum mobile.

Într-un articol publicat luna aceasta în revista Nature Physics, cercetătorii au analizat afirmaţiile anterioare de obținere a unor temperaturi absolute negative și au descoperit că, în toate cazurile, oamenii de știință au interpretat experimentele în baza unei definiții greșite - deși universal acceptată - a entropiei sau căldurii. Această definiție, numită entropie Boltzmann, apare în manualele moderne de fizică și este folosită pe larg la calcularea temperaturilor absolute într-o gama largă de sisteme fizice.

 

 

Dar, așa cum a descoperit echipa de la MIT, definiția funcționează numai când stările energetice atomice sau moleculare prezintă o distribuție normală, când nivelurile mai înalte de energie sunt mai puțin frecvent populate decât cele de energie scăzută. În sisteme mai exotice, cum ar fi anumite gaze cuantice, definiția dă greș. Pentru a explica această eroare, echipa a efectuat verificări matematice temeinice folosind o mai veche definiție a entropiei și a descoperit că aceste sisteme prezentau de fapt temperaturi absolute pozitive - un rezultat ce sugerează că studiile anterioare au folosit definiția greșită, sau altfel spus, au folosit un "termometru" teoretic inadecvat  pentru a măsura temperatura absolută a sistemelor exotice.

"Este trist într-un fel, deoarece vrei ceva spectaculos, vrei să găsești ceva nou", spune Jörn Dunkel, asistent la catedra de matematică de la MIT. "Dar este bine pe de altă parte, pentru că implicațiile unor temperaturi absolute negative ar fi zguduit temeliile fizicii".


Mergând sub zero absolut


De obicei ne gândim la temperaturi măsurate în grade Celsius or Fahrenheit, unde se poate ajunge la temperaturi sub zero. Prin contrast, temperaturile absolute, pe scara Kelvin, sunt o măsură a mișcării moleculelor în cadrul unui sistem. La zero absolut moleculele încetează orice mișcare și sistemul nu poate fi mai rece decât atât.

Interesant, conceptul de temperaturi absolute negative nu înseamnă că un sistem este mai rece decât zero absolut, ci de fapt, este mult, mult mai fierbinte. Sistemele peste zero absolut prezintă de obicei o distribuție normală a energiei, în care sunt mai mulți atomi sau molecule în stări de energie joasă decât în cele de energie ridicată.

În condiții foarte speciale, este posibil să se inverseze distribuția energiei. Un binecunoscut exemplu este laserul, a cărui funcționare se bazează pe faptul că majoritatea electronilor lui ocupă stări de energie înaltă. Aplicarea definiției lui Boltzmann a entropiei în aceste situații conduce la temperaturi negative. Dacă cineva introduce astfel de temperaturi negative într-o ecuație pentru calculul randamentului unei mașini termice, cunoscută ca și formula lui Carnot, atunci se pot obține valori ale randamentului mai mari decât 1 - prezicând de fapt, un perpetuum mobile.


Rescrierea manualelor


Pentru a verifica dacă afirmaţiile din trecut de atingere a unor temperaturi absolute negative erau într-adevăr corecte, Dunkel și Stefan Hilbert, cercetător postdoctoral la Max Planck Institute, au examinat metodic ecuațiile folosite în studiile anterioare pentru calculul temperaturilor absolute. Au găsit că, în timp ce definiția lui Boltzmann a entropiei funcționează bine în calcularea temperaturilor pozitive absolute ea dă greș când este folosită la aflarea temperaturii sistemelor cu o distribuție inversată a energiei moleculelor.

Mergând înapoi în timp în literatura referitoare la termodinamică, cercetătorii au revăzut altă definiție a entropiei descrisă de fizicianul J. Willard Gibbs în primii ani ai secolului XX. După cum rezultă, temperaturile absolute calculate, folosind atât definiția lui Gibbs, cat și a lui Boltzmann pentru entropie, sunt aproape identice pentru sisteme clasice cu o distribuție moleculară normală. Dar pentru sisteme mai exotice cu o distribuție inversată, rezultatele celor două ecuații diferă mult.

Dunkel and Hilbert au efectuat verificări matematice și au găsit că, folosind ecuația lui Gibbs, calculele conduc la temperaturi pozitive absolute în sisteme inversate, acolo unde anterior oamenii de știință au crezut că sunt negative. Noile calcule ale grupului sunt în acord cu legile termodinamicii și sunt în conformitate cu convențiile pentru măsurători standard ale presiunii și a altor variabile termodinamice, arătând că în timp ce un sistem poate prezenta o distribuție inversată a energiilor atomice sau moleculare, această distribuție anormală nu înseamnă neapărat temperaturi absolute negative.

Dunkel sugerează că mergând mai departe, orice cercetător care vrea să măsoare cu acuratețe temperatura absolută a sistemelor exotice, așa cum sunt gazele cuantice, ar trrebui să folosească formula lui Gibbs în locul celei a lui Boltzman.

"Există numai un număr mic de manuale care învață formula lui Gibbs", spune Dunkel. "Ei nu discută temperaturile negative, deoarece la acea vreme nu era cu adevărat relevant. Dar după aceea formula s-a pierdut la un moment dat și acum toate manualele moderne publică cealaltă formula. Va fi dificil să corectăm asta".

Peter Hanggi, profesor de fizică la Universitatea din Augsburg, spune că descoperirile din articol vor ajuta oamenii de știință să facă interpretări cu mai mare acuratețe asupra sistemelor rare, exotice.

"Existau o mulțime de lucruri afirmate și repetate în literatura generală de peste 50 de ani și acest grup a făcut o treabă excelentă prin separarea celor incorecte fată de cele corecte", spune Hanggi, care nu a fost implicat în cercetare. "Principala însemnătate este că putem atenționa pe fiecare: nu te grăbi, stai un minut, dacă ai calculat temperatura, ce înseamnă asta din punct de vedere termodinamic și ce semnificație are pentru experiment? Nu trebuie să se grăbească atunci când calculează și când trag concluzii”.

În ceea ce privește crearea unui perpetuum mobile, Dunkel spune că posibilitatea este, în cel mai bun caz, foarte limitată și că va necesita calcule foarte atente pentru verificare.

"De creezi o nouă clasă de sisteme, asta este o mare realizare experimentală", spune Dunkel. "Dar, dacă o să continui şi o să interpretezi lucrurile pe care le măsori în aceste sisteme trebuie să fii cu adevărat atent. Dacă faci o mică greșeală în prezumțiile tale, ea se poate amplifica enorm.



Traducere de Marian Stănică după  its-a-negative-on-negative-absolute-temperatures

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.