Calor move-se do frio para o quente - mas Segunda Lei da Termodinâmica está bem

 Caros Leitores;

O calor anda na contramão pelas bordas do material.

[Imagem: MA Martin-Delgado]

Correntes de borda

A energia pode se mover de uma região mais fria para outra mais quente em um material sem violar a segunda lei da termodinâmica?

Sim, pode, garantem físicos do Trinity College Dublin e da Universidade Complutense de Madri.

Mark Mitchison e seus colegas descobriram que um efeito quântico algumas vezes força a corrente a fluir pelas bordas de um material de uma maneira que se opõe à direção normal do fluxo de calor.

Essas "correntes de borda" são notavelmente robustas, e os físicos afirmam que elas podem estar presentes em uma classe mais ampla de materiais do que se pensava anteriormente.

Se isso se confirmar, essas correntes poderão ser usadas para controlar o fluxo de calor em nanoestruturas e, assim, ajudar a criar chips de computador mais eficientes em termos de energia, ou em dispositivos para reciclar o calor residual.

Calor do frio para o quente

As correntes de borda ocorrem nos chamados materiais topológicos, que são materiais cujas superfícies têm propriedades muito diferentes daquelas encontradas em seu interior.

Embora os pesquisadores saibam há décadas que existem correntes de borda robustas em sistemas topologicamente exóticos, Mitchison e seus colegas descobriram que essas correntes também ocorrem em sistemas topologicamente triviais. Em termos simples, a topologia é o ramo da matemática da "geometria da folha de borracha", na qual dois objetos são considerados equivalentes, ou triviais, se eles podem ser continuamente deformados um no outro dobrando, torcendo, esticando ou encolhendo (mas não rasgando ou cortando).

A equipe descobriu que as correntes de calor na contramão aparecem se o sistema estiver sujeito a um gradiente de temperatura - isto é, se uma extremidade estiver mais quente que a outra. Eles conseguiram isso acoplando cada extremidade de uma amostra hipotética com a chamada geometria quântica da barra Hall a dois reservatórios térmicos em diferentes temperaturas, e então simulando o que acontece em um modelo de computador.

A barra quântica Hall é usada rotineiramente em experimentos e consiste em um gás de elétrons bidimensional (um modelo científico usado na física do estado sólido) dotado de seis eletrodos. Esta configuração pode ser usada para medir as características do transporte do gás.

"Para nossa surpresa, descobrimos que as correntes de borda permanecem estáveis, o que implica que uma delas corre contra a direção natural do fluxo de calor," disse Angel Rivas, membro da equipe.

Da teoria à prática

Para esclarecer melhor esse fluxo contra-intuitivo - e mostrar por que ele não vai contra a segunda lei da termodinâmica - os físicos consideraram um modelo mais geral que suporta duas fases muito diferentes: Uma fase isolante topológica e uma fase isolante de banda "trivial".

Eles descobriram que, enquanto a corrente flui na direção oposta às suas expectativas na borda, a transferência total líquida de calor é sempre do reservatório quente para o frio, o que significa que a segunda lei da termodinâmica nunca é violada.

"Nós explicamos isso pelo efeito 'apagamento'," disse Miguel Delgado, coautor do estudo. "Aqui, as correntes circulantes se cancelam no interior, mas se adicionam construtivamente na borda, dando origem aos padrões de corrente contraintuitivos que observamos."

Embora a equipe tenha trabalhado apenas em um modelo teórico específico, eles afirmam que o fenômeno é geral e pode, em princípio, emergir em uma ampla classe de materiais, o que torna a descoberta útil para controlar o calor através de pequenas estruturas.

"O gerenciamento do calor em nanoescala tem muitas aplicações úteis: Por exemplo, no projeto de chips de computador mais eficientes em termos de energia ou dispositivos para reciclar o calor residual," disse Rivas.

Bibliografia:

Artigo: Robust Nonequilibrium Edge Currents with and without Band Topology
Autores: Mark T. Mitchison, Ángel Rivas, Miguel A. Martin-Delgado
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 128, 120403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.120403

Fonte:  Inovação Tecnológica / Com informações da Physics World - 17/05/2022

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=calor-move-se-frio-para-quente-segunda-lei-termodinamica-esta-bem&id=010170220517#.YoUwzlTMLIV

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Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

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