Mágica termodinâmica promete geladeiras que não gastam energia

Redação do Site Inovação Tecnológica 

A ideia de geladeiras e aparelhos de ar-condicionado que não gastam energia parece ser vantajosa demais para justificar grandes preocupações com as leis da termodinâmica. [Imagem: Andreas Schilling/UZH]

Nem aí para a Lei da Termodinâmica

Físicos da Universidade de Zurique, na Suíça desenvolveram um dispositivo incrivelmente simples que permite que o calor flua temporariamente de um objeto frio para outro objeto quente sem precisar de uma fonte de alimentação externa, como ocorre nos refrigeradores tradicionais.

Curiosamente, o processo parece à primeira vista contradizer as leis fundamentais da física, mais especificamente a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que a entropia de um sistema natural fechado deve aumentar com o tempo. Ou, de forma mais simples, o calor irá fluir por si só de um objeto mais quente para um mais frio, e não o contrário.

Andreas Schilling e seus colegas conseguiram resfriar um pedaço de cobre de nove gramas, de mais de 100° C para um nível significativamente abaixo da temperatura ambiente, sem qualquer fonte de alimentação externa, o que parece à primeira vista desafiar essa Segunda Lei da Termodinâmica.

"Teoricamente, este dispositivo experimental pode transformar água fervente em gelo sem usar qualquer energia," destaca Schilling.

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As setas representam a direção do fluxo de calor do claro/amarelo ou escuro/roxo para o respectivo objeto mais quente. [Imagem: A. Schilling et al. - 10.1126/sciadv.aat9953]

Refrigeração sem consumo de energia

Para conseguir esse feito, a equipe usou um elemento Peltier, um componente comumente usado, por exemplo, para resfriar minibares em quartos de hotel ou nas geladeiras de estado sólido (sem uso de gases) usadas em automóveis. Esses elementos termoelétricos podem transformar correntes elétricas em diferenças de temperatura.

A equipe já havia usado uma placa de Peltier, juntamente com uma bobina, para criar uma corrente de calor oscilante na qual o fluxo de calor entre dois corpos muda perpetuamente de direção. Naquele experimento, o calor também flui temporariamente de um objeto mais frio para um mais quente, de modo que o objeto mais frio é resfriado ainda mais. Este tipo de "circuito oscilante térmico" contém um "indutor térmico", funcionando da mesma maneira que um circuito oscilante elétrico, no qual a tensão oscila com um sinal em constante mudança.

Contudo, até então, esses circuitos oscilantes térmicos - essencialmente diodos termais - só funcionavam usando uma fonte externa de energia.

Agora, pela primeira vez, Schilling mostrou que esse tipo de circuito oscilante térmico também pode funcionar "passivamente", isto é, sem fornecimento de energia externa. As oscilações térmicas ainda ocorrem e, depois de algum tempo, o calor flui diretamente do cobre mais frio para uma solução mais quente, com uma temperatura de 22° C, sem que, no caminho, o calor seja transformado em outra forma de energia.

Apesar disso, a equipe fez os cálculos para mostrar que o aparato não contradiz as leis da física. Para provar isso, eles consideraram a mudança na entropia de todo o sistema e mostraram que ela aumenta com o tempo - totalmente de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica.

Outra equipe já havia constatado que a Segunda Lei da Termodinâmica falha em escala atômica. Na verdade, parece haver várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala. [Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler]

Aplicações dependem de desenvolvimentos adicionais

Embora a equipe tenha registrado uma diferença de apenas cerca de 2° C em comparação com a temperatura ambiente no experimento, isso se deveu principalmente às limitações de desempenho do elemento de Peltier usado, que foi comprado no comércio. Segundo Schilling, seria possível, em teoria, obter um resfriamento de até -47° C, nas mesmas condições, se o elemento "ideal" de Peltier - ainda a ser inventado - pudesse ser usado.

Outro fator que deixa as aplicações em larga escala desta técnica ainda distantes no futuro é que a configuração atual requer o uso de indutores (bobinas) supercondutores para minimizar as perdas elétricas.

Mas isto não parece fazer a equipe desanimar e nem deixar de se encantar com seu experimento.

"Com esta tecnologia muito simples, grandes quantidades de materiais sólidos, líquidos ou gasosos podem ser resfriados a uma temperatura bem abaixo da temperatura ambiente sem nenhum consumo de energia. À primeira vista, os experimentos parecem ser uma espécie de magia termodinâmica, desafiando nossas percepções tradicionais do fluxo de calor," comentou Schilling.

Bibliografia:

Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a "thermal inductor
A. Schilling, X. Zhang, O. Bossen
Science Advances
Vol.: 5, no. 4, eaat9953
DOI: 10.1126/sciadv.aat9953

LC-circuit calorimetry
O. Bossen, A. Schilling
Review of Scientific Instruments
Vol.: 82, 094901
DOI: 10.1063/1.3632116