eficiencia

Un pistón en un cilindro con gas normalmente se mueve cuando el gas empuja contra él. Pero hay un pistón que se mueve cuando hay vacío frente a él. Cada cinco segundos, revisa el espacio junto a su pared y, si no hay nadie allí, da un paso hacia adentro, comprimiendo el gas sin esfuerzo mecánico directo.

Una partícula está en un pozo de energía, como un guisante en un hoyuelo. Para salir, necesita superar una barrera, y normalmente eso ocurre rara vez: cuanto más alta es la barrera, más hay que esperar. La ley de Arrhenius dice que el tiempo de espera crece exponencialmente, es decir, duplicar la altura de la barrera aumenta el tiempo cientos de veces.

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

En una cámara ultrafría chocan dos nubes de átomos: unas decenas de átomos de cesio, que actúan como fluido de trabajo, y miles de átomos de rubidio, que forman el reservorio de calor.

El agua caliente después de la ducha, el aire cálido de la ventilación, las paredes calientes del motor: todo esto es calor por debajo de 100 °C. Normalmente se disipa sin hacer ningún trabajo útil. Ahora se puede capturar y convertir en electricidad. Dentro del nuevo dispositivo hay un alambre de aleación de níquel y titanio.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

El agujero negro de Kerr-NUT no es solo una aspiradora cósmica. Es una solución de las ecuaciones de Einstein en la que el agujero tiene masa, rotación y un extraño parámetro NUT. Se comporta como una carga magnética para la gravedad: aunque parece invisible, altera las propiedades del espacio circundante.

Dentro de cada célula bulle su propia logística: diminutos motores proteicos, como mensajeros, transportan cargas a lo largo de una red de microtúbulos. Uno de los principales trabajadores es la cinesina, que avanza utilizando la energía del ATP (la principal moneda energética de la célula).

En la termodinámica clásica, las máquinas térmicas son como un músico virtuoso en el escenario: cuanto más cerca de la perfección en la ejecución (eficiencia de Carnot), más lento es el tempo (potencia).

Imaginen el agua como un salón de baile, donde cada molécula es un bailarín que entabla constantemente fugaces alianzas. Estos enlaces de hidrógeno generan patrones locales: unos recuerdan un vals remilgado —una red ordenada con vacíos (estructura de baja densidad)—, otros un frenético jitterbug, donde las parejas se apiñan en caóticos racimos densos.

Imagina una máquina de vapor donde, en lugar de un pistón de acero, está el horizonte de sucesos, y el cilindro es el propio espacio curvo. Esta metáfora se ha convertido en realidad matemática: por primera vez, los físicos han construido un conjunto completo de ciclos térmicos reversibles con un agujero negro de Schwarzschild encerrado en una cavidad esférica.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

Un diapasón suena cada vez más débil no porque dejen de sostenerlo, sino porque la propia mano que lo golpea crea a su alrededor una suspensión invisible que amortigua las vibraciones. Algo parecido le ocurre a un resonador superconductor: una diminuta pista por la que una señal de microondas viaja casi sin pérdidas.

Una olla de agua en el fogón tarde o temprano se tranquiliza: la temperatura se iguala, el líquido deja de burbujear. Los físicos llaman a esto equilibrio térmico: un estado en el que la energía se reparte de la manera más probable.

Dentro de cada célula hierve la vida: diminutas máquinas proteicas transportan cargas sin descanso, leen genes y corrigen errores. Pero su trabajo dista de ser perfecto: a menudo patinan, dan pasos hacia atrás o se quedan atrapadas en ciclos inútiles. Es como un atasco urbano, donde los coches corretean sin rumbo quemando gasolina.

Una máquina térmica no tiene que ser de hierro. En el micromundo, el papel del pistón puede desempeñarlo un solo electrón, y en lugar de combustible, el propio proceso de medición. Dos "bolsillos" vecinos para electrones se conectan mediante un puente estrecho.

El termostato mantiene la habitación a 20 grados. Abre la ventana en invierno y encenderá la calefacción para recuperar el equilibrio. El cerebro hace algo parecido: predice constantemente lo que ocurrirá en el instante siguiente y se corrige si se equivoca. Así aprende.

Una tetera se enfría sobre la mesa. El calor se escapa al aire y se desperdicia. Sin embargo, se podría exprimir un poco de electricidad de ese calor. Los dispositivos que logran esto se llaman generadores termomagnéticos. En su interior no hay pistones ni turbinas, solo un material que cambia sus propiedades magnéticas al calentarse y enfriarse.

Un trozo de metal calentado por un extremo produce una corriente eléctrica débil: esto se sabe desde hace casi doscientos años. Pero, ¿y si en lugar de un simple metal usamos un «sándwich» de capas: un superconductor, un aislante delgado y una capa plana de electrones?

En las baterías cuánticas, la carga se puede acelerar si se mezclan los pasos en el tiempo, como una baraja de cartas. En lugar de un crecimiento suave de la energía, se producen explosiones repentinas de eficiencia, como microscópicas supernovas dentro de los átomos.

Normalmente, para obtener ondas de terahercios (luz entre las microondas y el infrarrojo) se construye un sándwich de distintos metales. En él, una capa actúa como fuente y otra como receptor de cargas. Al platino en estas estructuras se le asignaba el papel de simple conductor. Pero resultó que puede funcionar por sí solo.

La batería cuántica funciona como una esponja que absorbe luz, pero no la libera sin un exprimido forzado. La inspiración provino de las trampas solares naturales de las bacterias: al capturar fotones solares, demostrado por espectroscopía, transmiten energía casi sin pérdidas.

Un motor térmico común es como un molino entre dos orillas de un río, una caliente y otra fría: cuanto mayor es el desnivel, más fuerte es la corriente. Aquí el desnivel es diminuto, de solo uno o dos grados, pero el agua aún puede hacer girar la rueda.

Una aleación metálica se parece a un cóctel: mezclas varios elementos y obtienes un material con nuevas propiedades. Pero si el camarero prueba la bebida, los ingenieros necesitan saber de antemano cómo se comportará la aleación en el trabajo. Por ejemplo, si resistirá altas temperaturas y no perderá su capacidad de conducir corriente.

En el siglo XIX, James Clerk Maxwell imaginó un pequeño demonio. Este conoce la velocidad de cada molécula de gas y abre una puerta: las rápidas a la izquierda, las lentas a la derecha. Así, sin gastar energía, surge una diferencia de temperatura, lo que parece violar las leyes de la física.

Un café caliente se enfría al irradiar luz invisible. Para mantener su temperatura, debe recibir exactamente la misma cantidad de luz de vuelta. Este comercio silencioso de fotones es lo que sentimos como calor estable.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

La idea del universo en expansión, propuesta por Georges Lemaître, adquiere una analogía inesperada. El espacio se comporta como un pistón en un cilindro: la energía oscura lo empuja, como el vapor.

El agua en un vaso se enfría, el hielo se derrite y la tetera calienta la estufa: así funciona el mundo: el calor siempre va de lo caliente a lo frío. Es la segunda ley de la termodinámica, una ley que nunca se ha violado.

Los electrones — diminutas partículas en las moléculas — maniobran constantemente, evitando colisiones, como pasajeros en hora pico. Para calcular su comportamiento, los científicos establecen una regla de distancia personal: una función matemática que indica qué tan cerca puede acercarse un electrón a su vecino.

Un motor común quema combustible y pierde montones de energía en forma de calor: lo dictan las leyes de la termodinámica. Un motor cuántico actúa de manera diferente: su combustible no es el calor, sino un ritmo perfecto. Los físicos llaman a esa ritmicidad coherencia cuántica.

Los átomos, como un enjambre de luciérnagas, brillan al unísono. Cuando destellan simultáneamente, la luz se amplifica enormemente: cien átomos brillan diez mil veces más que uno solo. Los físicos han convertido este truco en un motor térmico. Un motor común necesita una fuente caliente y otra fría, pero aquí los átomos funcionan solo con una fría.

Una máquina térmica es como un velero: para avanzar necesita un gradiente. Normalmente, es la diferencia de temperatura entre el reservorio caliente y el frío. Pero, ¿y si el propio reservorio se moviera? El viento que hincha las velas no solo se debe a la diferencia de presiones, sino también al movimiento de las masas de aire.

Dos cúbits, que son bits cuánticos, sistemas de dos niveles, se deslizan a través de baños térmicos, uno caliente y otro frío. Uno se mueve a 0,8 veces la velocidad de la luz. En ese momento, la termodinámica convencional se resquebraja: un cúbit en movimiento percibe la temperatura de manera distinta a uno en reposo.