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06/ago/02
Los sistemas microscópicos
podrían violar la segunda ley de la termodinámica. Así lo demuestran
experimentos realizados en Australia.
Empujando la segunda ley de la
termodinámica al límite
(Physical Review Letters) Investigadores australianos han
demostrado experimentalmente que los sistemas microscópicos (nanomáquinas)
pueden llegar a ser espontáneamente más ordenados por períodos cortos de
tiempo, cosa que sería equivalente a violar la segunda ley de la termodinámica
si hubiese sucedido en un sistema más grande. No se preocupe, la naturaleza
aún rigurosamente cumple la venerable segunda ley en sistemas macroscópicos,
pero los ingenieros desearán tener en cuenta las limitaciones a la segunda ley
al diseñar las nanomáquinas. El nuevo experimento potencialmente tiene
ramificaciones importantes para la comprensión de los mecanismos de la vida en
la escala de microbios y células.
Hay muchas maneras de resumir la segunda ley de la termodinámica. Una de las
más sencillas dice que es simplemente imposible extraer la energía térmica de
algún depósito y utilizarla para realizar trabajo. De no ser así, las
máquinas podían funcionar con la energía de un vaso de agua, por ejemplo,
extrayendo calor y congelando el agua a su paso. Si esto fuese posible, los
refrigeradores y los congeladores podrían producir electricidad en vez de
consumirla. La segunda ley se refiere típicamente a sistemas de muchos
trillones de partículas, tales como las moléculas en una barra del hierro, una
taza del té o un globo del helio, y funciona bien porque esencialmente es una
declaración estadística sobre el comportamiento colectivo de incontables
partículas que nunca esperaríamos individualizar. En sistemas de solamente
algunas partículas las, circunstancias que pueden presentarse podrían ser
altamente improbables en sistemas grandes. Por lo tanto, la segunda ley de la
termodinámica no se aplica generalmente a los sistemas de pocas partículas.
El experimento realizado en la Universidad Nacional Australiana en Canberra y la
Universidad de Griffith, en Brisbane, observa aspectos de la termodinámica en
la nebulosa zona entre los sistemas muy pequeños y los muy grandes. Los
investigadores utilizaron pinzas ópticas para asir una partícula coloidal del
orden del micrón y la desplazaron a través de agua. Midiendo el movimiento de
la partícula y calculando las minúsculas fuerzas que la afectaron, los
investigadores pudieron demostrar que fue golpeada varias veces por las
moléculas de agua de manera tal que la energía era transferida del agua a la
partícula. En efecto, la energía térmica era extraída del recipiente y
utilizada para hacer el trabajo (ayudando a mover la partícula) en aparente
violación de la segunda ley.
Con la partícula moviéndose en cortas distancias era casi tan probable extraer
energía del agua como agregarla. Pero cuando el período de movimiento superó
los dos segundos consecutivos, la segunda ley asumió el control nuevamente y
ninguna energía útil pudo extraerse del movimiento de las moléculas de agua,
eliminando la posibilidad de microscópicas máquinas de movimiento perpetuo que
funcionaran para más que unos pocos segundos. Sin embargo, muchos físicos se
sorprenderán al saber que la segunda ley no es enteramente válida para
sistemas del tamaño considerado en el experimento de la partícula en el agua,
y por períodos del orden de segundos. Después de todo, incluso un micrón
cúbico de agua contiene cerca de treinta mil millones moléculas. Aunque
todavía no es posible realizar trabajo útil congelando agua, el experimento
sugiere que las nanomáquinas pueden estar relacionadas con fenómenos mucho
más extraños de lo que la mayoría de los ingenieros pensaban. Tales
minúsculos dispositivos pueden incluso terminar funcionando, por los breves
períodos, impulsando el flujo de energía en un sentido no intuitivo. La
investigación también puede ser importante para los biólogos ya que muchas de
las células y microbios que estudian se encuentran en sistemas comparables de
tamaño al del experimento de la partícula en agua.
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Traducción: Diego Escarlón.
Muchas gracias Diego por sugerir el tema y aportar la traducción.
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Notas relacionadas:
Artículo en Nature (23/7/02): "Second
law broken"
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