Processo termodinâmicos ótimos em sistemas fora do equilíbrio

Resumo

A segunda lei da Termodinâmica coloca limitações bastante drásticas ao custo energético mínimo para a manipulação de sistemas físicos. Tal custo mínimo só seria alcançado no limite de processos infinitamente lentos que, em condições realistas, são impossíveis de serem realizados. Logo, é de extrema importância abordar o seguinte problema: qual o processo termodinâmico de manipulação de um sistema que, com duração finita, minimiza o custo energético? A solução desse problema ainda se restringe a pouquíssemos exemplos. Embora exista uma teoria preliminar que se aplique a um sistema qualquer, ela só é capaz de descrever regimes bastante restritos da gama de possibilidades que compõe o comportamento fora do equilíbrio. Esse projeto tem como objetivo contribuir para a solução desse problema termodinâmico de otimização em sistemas quânticos e clássicos isolados termicamente ou em contato com um reservatório térmico. As grandezas que utilizaremos para quantificar o custo energético serão o trabalho termodinâmico (em situações em que há variação de energia livre) e a produção de entropia (definida apropriadamente de acordo com a situação). Do ponto de vista da formulação teórica do problema, devemos procurar ferramentas que permitam expressar esses quantificadores como funcionais do protocolo escolhido para a realização do processo. Isso já vem sendo feito dentro do grupo de pesquisa do proponente utilizando teorias perturbativas para tratar processos próximos do equilíbrio. Pretendemos utilizar o conhecimento adquirido e as técnicas desenvolvidas nesse regime para ir além e tratar situações arbitrariamente fora do equilíbrio. Acreditamos que os resultados obtidos terão impacto na elaboração de máquinas térmicas mesoscópicas mais eficientes e no entendimento das restrições fundamentais impostas pela segunda lei a tempo finito. (AU)