En la filosofía de la física térmica y estadística , el trinquete browniano o trinquete de Feynman-Smoluchowski es una máquina de movimiento perpetuo aparente del segundo tipo (que convierte energía térmica en trabajo mecánico), analizada por primera vez en 1912 como un experimento mental por el físico polaco Marian Smoluchowski . [1] Fue popularizado por el físico estadounidense y premio Nobel Richard Feynman en una conferencia de física en el Instituto Tecnológico de California el 11 de mayo de 1962, durante su serie Messenger Lectures The Character of Physical Law en la Universidad de Cornell en 1964 y en su texto The Feynman Lectures on Physics [2] como una ilustración de las leyes de la termodinámica . La máquina simple, que consiste en una pequeña rueda de paletas y un trinquete , parece ser un ejemplo de un demonio de Maxwell , capaz de extraer trabajo mecánico de fluctuaciones aleatorias (calor) en un sistema en equilibrio térmico , en violación de la segunda ley de la termodinámica . Un análisis detallado realizado por Feynman y otros demostró por qué en realidad no puede hacer esto.
El dispositivo consiste en un engranaje conocido como trinquete que gira libremente en una dirección pero se le impide girar en la dirección opuesta mediante un trinquete . El trinquete está conectado por un eje a una rueda de paletas que está inmersa en un fluido de moléculas a temperatura . Las moléculas constituyen un baño de calor en el que experimentan un movimiento browniano aleatorio con una energía cinética media que está determinada por la temperatura . Se imagina que el dispositivo es lo suficientemente pequeño como para que el impulso de una sola colisión molecular pueda girar la paleta. Aunque tales colisiones tenderían a girar la varilla en cualquier dirección con la misma probabilidad, el trinquete permite que el trinquete gire solo en una dirección. El efecto neto de muchas de estas colisiones aleatorias parecería ser que el trinquete gira continuamente en esa dirección. El movimiento del trinquete puede usarse entonces para realizar trabajo en otros sistemas, por ejemplo, levantar un peso ( m ) contra la gravedad. La energía necesaria para realizar este trabajo aparentemente provendría del baño de calor, sin ningún gradiente de calor (es decir, el movimiento absorbe energía de la temperatura del aire). Si una máquina así funcionara con éxito, su funcionamiento violaría la segunda ley de la termodinámica , una de cuyas formas establece: "Es imposible que cualquier dispositivo que funcione en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo".
Aunque a primera vista el trinquete browniano parece extraer trabajo útil del movimiento browniano, Feynman demostró que si todo el dispositivo está a la misma temperatura, el trinquete no rotará continuamente en una dirección, sino que se moverá aleatoriamente hacia adelante y hacia atrás, y por lo tanto no producirá ningún trabajo útil. La razón es que, dado que el trinquete está a la misma temperatura que la paleta, también experimentará un movimiento browniano, "rebotando" hacia arriba y hacia abajo. Por lo tanto, fallará intermitentemente al permitir que un diente del trinquete se deslice hacia atrás debajo del trinquete mientras está arriba. Otro problema es que cuando el trinquete descansa sobre la cara inclinada del diente, el resorte que devuelve el trinquete ejerce una fuerza lateral sobre el diente que tiende a girar el trinquete en una dirección hacia atrás. Feynman demostró que si la temperatura del trinquete y el trinquete es la misma que la temperatura de la paleta, entonces la tasa de falla debe ser igual a la tasa a la que el trinquete se mueve hacia adelante, de modo que no se produzca ningún movimiento neto durante períodos lo suficientemente largos o en un sentido promedio de conjunto. [2] Magnasco dio una prueba simple pero rigurosa de que no se produce movimiento neto sin importar la forma de los dientes . [3] [ verificación fallida – ver discusión ]
Si, por otro lado, es menor que , el trinquete se moverá hacia adelante y producirá trabajo útil. En este caso, sin embargo, la energía se extrae del gradiente de temperatura entre los dos depósitos térmicos y parte del calor residual se libera en el depósito de temperatura más baja mediante el trinquete. En otras palabras, el dispositivo funciona como un motor térmico en miniatura , de conformidad con la segunda ley de la termodinámica. Por el contrario, si es mayor que , el dispositivo girará en la dirección opuesta.
El modelo de trinquete de Feynman condujo al concepto similar de motores brownianos , nanomáquinas que pueden extraer trabajo útil no del ruido térmico sino de potenciales químicos y otras fuentes microscópicas de no equilibrio , de conformidad con las leyes de la termodinámica. [3] [4] Los diodos son un análogo eléctrico del trinquete y el trinquete, y por la misma razón no pueden producir trabajo útil rectificando el ruido de Johnson en un circuito a temperatura uniforme.
Millonas [5] así como Mahato [6] extendieron la misma noción a los trinquetes de correlación impulsados por ruido de no equilibrio de media cero (impar) con una función de correlación no nula de orden impar mayor que uno.
El trinquete y el trinquete fueron discutidos por primera vez como un dispositivo que viola la Segunda Ley por Gabriel Lippmann en 1900. [7] En 1912, el físico polaco Marian Smoluchowski [1] dio la primera explicación cualitativa correcta de por qué falla el dispositivo; el movimiento térmico del trinquete permite que los dientes del trinquete se deslicen hacia atrás. Feynman hizo el primer análisis cuantitativo del dispositivo en 1962 utilizando la distribución de Maxwell-Boltzmann , mostrando que si la temperatura de la paleta T 1 fuera mayor que la temperatura del trinquete T 2 , funcionaría como un motor térmico , pero si T 1 = T 2 no habría movimiento neto de la paleta. En 1996, Juan Parrondo y Pep Español utilizaron una variación del dispositivo anterior en el que no hay trinquete presente, solo dos paletas, para mostrar que el eje que conecta las paletas y el trinquete conduce calor entre depósitos; Argumentaron que aunque la conclusión de Feynman era correcta, su análisis era defectuoso debido a su uso erróneo de la aproximación cuasiestática , lo que resultó en ecuaciones incorrectas para la eficiencia. [8] Magnasco y Stolovitzky (1998) extendieron este análisis para considerar el dispositivo de trinquete completo, y demostraron que la potencia de salida del dispositivo es mucho menor que la eficiencia de Carnot reclamada por Feynman. [9] Un artículo en 2000 por Derek Abbott , Bruce R. Davis y Juan Parrondo, reanalizó el problema y lo extendió al caso de múltiples trinquetes, mostrando un vínculo con la paradoja de Parrondo . [10]
En 1950, Léon Brillouin debatió un circuito eléctrico análogo que utiliza un rectificador (como un diodo) en lugar de un trinquete. [11] La idea era que el diodo rectificara las fluctuaciones de corriente térmica de ruido Johnson producidas por la resistencia , generando una corriente continua que podría usarse para realizar trabajo. En el análisis detallado se demostró que las fluctuaciones térmicas dentro del diodo generan una fuerza electromotriz que cancela el voltaje de las fluctuaciones de corriente rectificadas. Por lo tanto, al igual que con el trinquete, el circuito no producirá energía útil si todos los componentes están en equilibrio térmico (a la misma temperatura); solo se producirá una corriente continua cuando el diodo esté a una temperatura más baja que la resistencia. [12]
Investigadores de la Universidad de Twente , la Universidad de Patras en Grecia y la Fundación para la Investigación Fundamental de la Materia han construido un motor Feynman-Smoluchowski que, cuando no está en equilibrio térmico, convierte el movimiento pseudobrowniano en trabajo por medio de un gas granular , [13] que es un conglomerado de partículas sólidas vibradas con tal vigor que el sistema asume un estado similar al gas. El motor construido constaba de cuatro paletas que se dejaban girar libremente en un gas granular vibrofluidizado. [14] Debido a que el mecanismo de engranaje y trinquete del trinquete, como se describió anteriormente, permitía que el eje girara solo en una dirección, las colisiones aleatorias con las perlas en movimiento hicieron que la paleta girara. Esto parece contradecir la hipótesis de Feynman. Sin embargo, este sistema no está en perfecto equilibrio térmico: se suministra energía constantemente para mantener el movimiento fluido de las perlas. Las vibraciones vigorosas en la parte superior de un dispositivo de agitación imitan la naturaleza de un gas molecular. Sin embargo, a diferencia de un gas ideal , en el que las partículas diminutas se mueven constantemente, detener la agitación simplemente haría que las perlas cayeran. En el experimento, este entorno necesario fuera de equilibrio se mantuvo así. Sin embargo, el trabajo no se estaba realizando inmediatamente; el efecto de trinquete solo comenzó más allá de una fuerza de agitación crítica. Para una agitación muy fuerte, las paletas de la rueda de paletas interactuaban con el gas, formando un rollo de convección, que mantenía su rotación. [14]
