Motor térmico supera o Limite de Carnot após 200 anos

O físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) foi pioneiro ao calcular a conversão ideal de calor em trabalho, criando em 1824 um ciclo ideal que representa o limite superior para a eficiência da conversão de calor em trabalho, ou vice-versa, por meio de um sistema fechado que passa por diferentes temperaturas e pressões.

Simplificando, o ciclo de Carnot envolve um dispositivo termodinâmico que converte calor em trabalho mecânico, operando entre dois reservatórios de temperatura: um quente e um frio. A máquina térmica capta calor do reservatório quente, converte parte dele em trabalho útil e direciona o calor restante para o reservatório frio.

No cenário ideal da teoria, esse processo é perfeitamente reversível, e o motor de Carnot alcançaria a eficiência máxima. Na prática, no entanto, motores térmicos não são reversíveis e perdem grande parte de sua energia na forma de calor.

Agora, no entanto, isso pode mudar graças ao trabalho de Shiling Liang e sua equipe, composta por pesquisadores da Alemanha, China e Suíça.

Motor Bioquímico

Os pesquisadores abordaram o problema do limite de Carnot usando um motor térmico bioquímico, que converte energia térmica em energia química através da síntese de ATP (adenosina trifosfato), processo que ocorre nas mitocôndrias dos animais e nos cloroplastos dos vegetais.

O entendimento atual é de que, para construir um motor com eficiência próxima à da máquina térmica de Carnot, seria necessário um tempo infinito para realizar o trabalho com potência mínima. Na prática, os motores operam com eficiência máxima, movendo-se muito lentamente, ou geram energia útil sacrificando eficiência.

Além disso, existe o “princípio da 1/2-universalidade”, segundo o qual motores térmicos operando no regime de resposta linear (com pequenas diferenças de temperatura) podem atingir no máximo metade da eficiência de Carnot na potência máxima.

A solução para esse problema veio na forma de um sistema com níveis de energia degenerados, o que significa que diferentes estados de energia, muito próximos uns dos outros, correspondem ao mesmo nível energético. O motor tem dois estados: um de baixa energia e outro de alta energia. O estado de alta energia pode acomodar um número muito maior de configurações moleculares.

Existem duas vias de reação para que as transições ocorram entre os níveis de energia: uma reação de hidrólise ocorre em baixas temperaturas, enquanto uma transição espontânea acontece em altas temperaturas. Nestas temperaturas elevadas, o sistema tende naturalmente para o estado de alta energia, pois pode acessar diversas configurações disponíveis, tornando a transição espontânea mais provável. Já em temperaturas mais baixas, a reação de hidrólise é mais provável, movendo o sistema do estado de baixa para o estado de alta energia.

À medida que o sistema aumenta de tamanho, permitindo que o estado de alta energia acomode mais configurações do que o estado de baixa energia, as transições tornam-se mais nítidas, assemelhando-se a interruptores. Essas transições são conhecidas como transições de fase de primeira ordem e ocorrem com mínima perda de energia.

A equipe conclui: “Este motor, em particular, pode atingir a eficiência de Carnot na potência máxima.”

Desafios

O principal desafio agora é encontrar um sistema viável para implementar esse motor com eficiência máxima. Como próximo passo nas pesquisas, a equipe sugere o uso de biopolímeros, que possuem naturalmente estados de alta degenerescência, como ponto de partida para o desenvolvimento.

Além disso, há uma reciprocidade no processo: como o sistema funciona como um motor bioquímico capaz de sintetizar ATP, a estrutura desenvolvida pode oferecer novas perspectivas para entender melhor os seres vivos.

Quanto aos motores em si, a equipe afirma que “nossa abordagem abrirá novos caminhos para otimizar os motores térmicos, indo além da busca convencional por esquemas de controle de ciclo ótimo.”

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