Es posible convertir el agua hirviendo en hielo sin consumo de energía

Físicos de la Universidad de Zúrich 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. El proceso, aunque parece contradecir las leyes fundamentales de la Física, en realidad no es así.

Los investigadores lograron enfriar una pieza de cobre de nueve gramos que estaba a 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 Andreas Schilling, uno de los investigadores, en un comunicado.

Si se coloca una tetera con agua hirviendo sobre la mesa de la cocina, se enfriará gradualmente. No se espera que su temperatura descienda por debajo de la temperatura ambiente.

Esta experiencia cotidiana ilustra una de las leyes fundamentales de la Física, la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía (grado de desorden molecular) 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 nunca al revés.

Bomba de calor termoeléctrica

En este experimento, cuyos resultados se publican en Science Advances, los investigadores utilizaron un enfriador termoeléctrico  Peltier. Se trata de un aparato comercial que genera una diferencia de temperatura entre sus caras al ser atravesado por una corriente eléctrica: una de sus caras se enfría, mientras que la otra se calienta.

El enfriamiento Peltier es llamado enfriamiento termoeléctrico y se usa generalmente, por ejemplo, para enfriar los minibares en las habitaciones de los hoteles.

Los investigadores ya habían utilizado el enfriamiento Peltier en experimentos anteriores,  para crear una corriente de calor oscilante: 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 enfría aún más. Sin embargo, hasta ahora, el equipo de Schilling solo había operado este circuito oscilante térmico utilizando una fuente de energía.

Ahora han demostrado por primera vez que este tipo de circuito oscilante térmico también puede ser operado "pasivamente", es decir, sin una fuente de energía de alimentación externa.

Con la termodinámica

A pesar de este resultado, los autores 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, tal como establece la segunda ley de la termodinámica. Es decir, el resultado obtenido no altera el estado del sistema.

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 Peltier utilizado.

Según Schilling, en teoría sería posible lograr un enfriamiento de hasta -47°C en las mismas condiciones, si se pudiera utilizar el elemento Peltier "ideal", que todavía no existe. "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 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 está todavía muy lejos de conseguirse.

Una explicación 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, sin embargo, este trabajo como 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.”

Referencia

Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a “thermal inductor”. A. Schilling et al. Science Advances,  19 Apr 2019: Vol. 5, no. 4, eaat9953. DOI:10.1126/sciadv.aat9953