Los físicos de la Universidad de Zúrich (UZH) han desarrollado un dispositivo sorprendentemente simple que permite que el calor fluya temporalmente desde un objeto frío a uno caliente sin una fuente de alimentación externa. Curiosamente, el proceso inicialmente parece contradecir las leyes fundamentales de la física.
Si coloca una tetera con agua hirviendo sobre la mesa de la cocina, se enfriará gradualmente. Sin embargo, no esperarías que su temperatura caiga por debajo de la de la mesa. Es precisamente esta experiencia cotidiana 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.
Sin embargo, 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 UZH, parecen a primera vista cuestionar la segunda ley de la termodinámica.
Los investigadores lograron enfriar una pieza de cobre de 9 gramos con una temperatura arriba de los 100°C hasta una temperatura significativamente inferior a la de la habitación y sin ninguna fuente de alimentación externa. “En teoría, este dispositivo experimental podría convertir el agua hirviendo en hielo, sin usar energía”, dice Schilling.
Los resultados fueron publicados en la revista Science Advances.
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 aquí, el equipo de Schilling solo había operado estos circuitos de oscilación térmica utilizando una fuente de energía.
Pero ahora han demostrado por primera vez que este tipo de circuito de oscilación térmica también puede ser operado “pasivamente”, es decir, sin fuente de alimentación externa.
Las oscilaciones térmicas todavía ocurrieron y, después de un tiempo, el calor fluyó directamente del cobre que se encontraba más frío a un baño de calor 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, las 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 físico de UZH considera el trabajo más significativo que un mero estudio de “prueba de principio”: “A primera vista, los experimentos parecen ser una especie de magia termodinámica, que desafía en cierta medida nuestras percepciones tradicionales del flujo de calor”.