Oltre Carnot: i motori quantistici rompono i limiti dell’efficienza termodinamica classica

A duecento anni dalla formulazione dei principi della termodinamica, la fisica quantistica riscrive le regole del gioco. I ricercatori dell’Università di Stoccarda dimostrano che, su scala atomica, è possibile superare i limiti di efficienza che credevamo invalicabili.

Per due secoli, Sadi Carnot è stato il guardiano indiscusso dell’efficienza energetica. Il fisico francese, padre della termodinamica, stabilì che il rendimento di un motore termico dipende rigorosamente dalla differenza di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda.¹ Una legge ferrea, logica, immutabile. O almeno così credevamo.

Nuove ricerche provenienti dall’Università di Stoccarda, e pubblicate sulla prestigiosa rivista Science Advances, suggeriscono che il vecchio Carnot potrebbe aver trascurato un dettaglio fondamentale, non visibile nel mondo macroscopico delle turbine a vapore, ma decisivo in quello microscopico degli atomi: le correlazioni quantistiche.

Leonard Sadì Carnot , autore della famosa legge della termodinamica

Quando la fisica classica non basta più

I motori termici tradizionali, dai vecchi pistoni a vapore fino ai moderni propulsori a combustione interna, funzionano convertendo il calore in movimento meccanico. Tuttavia, la miniaturizzazione estrema della tecnologia ha permesso agli scienziati di ridurre questi motori a dimensioni microscopiche, aprendo scenari finora inesplorati.

Il Professor Eric Lutz e il Dr. Milton Aguilar, dell’Istituto di Fisica Teorica I dell’Università di Stoccarda, hanno dimostrato che il principio di Carnot non è valido per i sistemi su scala atomica le cui proprietà fisiche sono interconnesse, ovvero i cosiddetti “oggetti correlati”.

Ricordiamo che tradizionalmente i motori termici hanno dei limti fisici invalicabili. Il lavoro dei motori termici dipende dal  differenziale di temperatura tra una sorgente calda e una fredda, secondo la Legge di Carnot che stabilisce il rendimento massimo teorico:

 indicando che solo una parte del calore può essere convertita in lavoro utile, poiché mai tutto il calore può essere trasformato, rispettando il secondo principio della termodinamica. Maggiore è il differenziale di temperatura,   maggiore è il rendimento potenziale, ma sempre inferiore all’unità (100%). 

Nel mondo infinitamente piccolo, le regole cambiano:

• Motori tradizionali: L’efficienza è limitata dal delta di temperatura.
• Motori quantistici: Possono sfruttare legami speciali tra le particelle per generare lavoro extra. L’entanglement quantistico permette di superare questo limite.

Secondo il professor Lutz, «Piccoli motori, non più grandi di un singolo atomo, potrebbero diventare realtà in futuro. È ormai evidente che questi motori possono raggiungere un’efficienza massima superiore a quella dei motori termici più grandi».

Il segreto è nelle “correlazioni”

Perché accade questo? Carnot aveva ragione nel dire che la differenza di temperatura è decisiva, ma il suo principio trascura l’influenza delle correlazioni quantistiche. Queste sono legami speciali che si formano tra le particelle su scala molto ridotta.

Lo studio tedesco ha derivato, per la prima volta, leggi generalizzate della termodinamica che tengono conto di queste interazioni. Ecco le differenze sostanziali emerse dallo studio:

I risultati mostrano che le macchine termiche su scala atomica possono convertire in lavoro non solo il calore, ma anche queste correlazioni. Il risultato è un motore che, a parità di risorse, produce più lavoro, superando il limite tradizionale di Carnot.

Verso una nuova era tecnologica

Questa non è solo teoria astratta per fisici teorici. Comprendere le leggi fisiche che governano queste dimensioni è il primo passo per sviluppare le tecnologie di domani. Si parla di motori quantistici minuscoli e altamente efficienti, capaci di eseguire compiti precisi su scala nanometrica.

Le applicazioni potenziali sono affascinanti e, al contempo, inquietanti per la loro vastità:

• Nanobot medici: Motori atomici potrebbero alimentare robot microscopici all’interno del corpo umano.
• Ingegneria dei materiali: Macchine capaci di manipolare e processare materiali livello atomico con un’efficienza energetica senza precedenti.

La ricerca di base apre porte che l’ingegneria attraverserà negli anni a venire. Se il XIX secolo è stato il secolo del vapore e il XX quello del silicio, il XXI potrebbe essere ricordato come l’era in cui abbiamo imparato a usare le stranezze dei quanti per muovere il mondo.

Domande e risposte

Cosa significa che il principio di Carnot è stato superato?

Il principio di Carnot stabilisce il limite massimo teorico di efficienza per qualsiasi motore termico basandosi sulla differenza di temperatura.4 Tuttavia, questo vale per oggetti macroscopici. I ricercatori hanno scoperto che, scendendo a livello atomico, entrano in gioco le “correlazioni quantistiche”. Queste permettono ai motori microscopici di estrarre lavoro non solo dal calore, ma anche dai legami tra le particelle, ottenendo un’efficienza che supera il limite calcolato da Carnot due secoli fa.

Quali sono le applicazioni pratiche di questa scoperta?

Al momento siamo nel campo della ricerca di base, fondamentale per comprendere le leggi dell’universo microscopico. Tuttavia, queste conoscenze sono la base per la futura nanotecnologia. Si ipotizza la creazione di motori quantistici minuscoli capaci di alimentare nanobot per applicazioni mediche (come la chirurgia cellulare o la somministrazione mirata di farmaci) o macchinari in grado di assemblare e lavorare nuovi materiali direttamente atomo per atomo, con un’efficienza energetica impensabile per le tecnologie attuali.

I motori attuali diventeranno obsoleti?

No, non nel breve termine e non per gli usi comuni. Il principio di Carnot rimane valido per i motori macroscopici che usiamo quotidianamente, come quelli delle automobili o le turbine delle centrali elettriche. La scoperta riguarda sistemi su scala atomica o molecolare. Non vedremo un motore quantistico sotto il cofano di un’auto, ma potremmo vedere questa tecnologia rivoluzionare la medicina, l’elettronica e la scienza dei materiali, ambiti dove la miniaturizzazione è la chiave del progresso.

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