Un simple dispositivo que permite que el calor fluya temporalmente desde un objeto frío a uno caliente sin una fuente de alimentación externa ha sido desarrollado por físicos de la Universidad de Zurich. Curiosamente, el proceso inicialmente parece contradecir las leyes fundamentales de la física.
Si se coloca una tetera con agua hirviendo sobre la mesa de la cocina, se enfriará gradualmente. Sin embargo, no se espera que su temperatura caiga por debajo de la de la mesa. Es precisamente esta experiencia cotidiana la que ilustra una de las leyes fundamentales de la física, la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema natural cerrado debe aumentar con el tiempo. O, más sencillamente: el calor puede fluir solo de un objeto más cálido a uno más frío, y no al revés.
Los resultados de un experimento reciente llevado a cabo por el grupo de investigación del profesor Andreas Schilling en el Departamento de Física de la Universidad de Zurich (UZH) parecen cuestionar la segunda ley de la termodinámica.
Los investigadores lograron enfriar una pieza de cobre de nueve gramos desde más de 100°C hasta una temperatura significativamente inferior a la de la habitación sin una fuente de alimentación externa. "En teoría, este dispositivo experimental podría convertir el agua hirviendo en hielo, sin usar energía", dice Schilling.
Para lograr esto, los investigadores utilizaron un elemento Peltier, un componente comúnmente utilizado, por ejemplo, para enfriar los minibares en las habitaciones de los hoteles. Estos elementos pueden transformar las corrientes eléctricas en diferencias de temperatura. Los investigadores ya habían utilizado este tipo de elemento en experimentos anteriores, en relación con un inductor eléctrico, para crear una corriente de calor oscilante en la que el flujo de calor entre dos cuerpos cambiaba de dirección de manera perpetua.
En este escenario, el calor también fluye temporalmente desde un objeto más frío a uno más cálido, de modo que el objeto más frío se enfríe aún más. Este tipo de "circuito de oscilación térmica" en efecto contiene un "inductor térmico". Funciona de la misma manera que un circuito oscilante eléctrico, en el que el voltaje oscila con un signo en constante cambio.
Hasta ahora, el equipo de Schilling solo había operado estos circuitos oscilantes térmicos utilizando una fuente de energía. Los investigadores ahora han demostrado por primera vez que este tipo de circuito oscilante térmico también puede ser operado "de manera pasiva", es decir, sin fuente de alimentación externa.
Las oscilaciones térmicas todavía ocurrieron y, después de un tiempo, el calor fluyó directamente del cobre más frío a un baño de calor más cálido con una temperatura de 22°C, sin transformarse temporalmente en otra forma de energía. A pesar de esto, los autores también pudieron demostrar que el proceso en realidad no contradice ninguna ley de la física. Para probarlo, consideraron el cambio en la entropía de todo el sistema y mostraron que aumentó con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.
Aunque el equipo registró una diferencia de solo unos 2°C en comparación con la temperatura ambiente en el experimento, esto se debió principalmente a las limitaciones de rendimiento del elemento comercial Peltier utilizado. Según Schilling, sería posible en teoría lograr un enfriamiento de hasta -47°C en las mismas condiciones, si se pudiera utilizar el elemento Peltier "ideal", que aún debe inventarse: "Con esta tecnología muy simple grandes cantidades de materiales sólidos, líquidos o gaseosos calientes podrían enfriarse a una temperatura muy por debajo de la temperatura ambiente sin ningún consumo de energía".
El circuito térmico pasivo también se podría usar tantas veces como se desee, sin necesidad de conectarlo a una fuente de alimentación. Sin embargo, Schilling admite que una aplicación a gran escala de la técnica aún está muy lejos. Una razón para esto es que los elementos Peltier actualmente disponibles no son lo suficientemente eficientes. Además, la configuración actual requiere el uso de inductores superconductores para minimizar las pérdidas eléctricas.
El físico de UZH considera que el trabajo es más significativo que un mero estudio de "prueba de principio": "A primera vista, los experimentos parecen ser una especie de magia termodinámica, desafiando en cierta medida nuestras percepciones tradicionales del flujo de calor".
