Motores microscópicos

Un motor de Stirling que opera con un «fluido» de una sola partícula permite investigar a escala microscópica la conversión de energía térmica en mecánica.

DE: «REALIZATION OF A MICROMETRE-SIZED STOCHASTIC HEAT ENGINE». V. BLICKLE Y C. BECHINGER EN NATURE PHYSICS n.o 8, PÁGS. 143-146, FEBRERO DE 2012

Tal y como nos enseñan los libros de texto, un motor térmico convierte el calor en trabajo. Por lo general, ello se consigue gracias a la compresión y expansión de un gas macroscópico, en cuyo caso el volumen, la presión y la temperatura del fluido poseen una definición precisa. Pero ¿qué ocurre cuando reducimos el tamaño del dispositivo hasta tal punto que algunas de esas variables termodinámicas dejan de estar bien definidas o, en el mejor de los casos, fluctúan? La respuesta bien podría hallarse al alcance de la mano. En un artículo publicado en febrero de 2012 en la revista Nature Physics, Valentin Blickle y Clemens Bechinger, de la Universidad de Stuttgart, referían la construcción de un motor de Stirling de escala microscópica.

El ciclo de Stirling clásico comienza con la compresión isotérmica de un gas a baja temperatura, a la que siguen un calentamiento a volumen constante (isocórico), una expansión isotérmica y un enfriamiento isocórico, el cual devuelve el gas a sus condiciones iniciales. En la versión microscópica de Blickle y Bechinger, el papel del gas lo desempeña una sola partícula suspendida en agua y sometida a movimiento browniano, una posibilidad que ya había sido sugerida con anterioridad para el ciclo de Carnot. La partícula se encuentra confinada en una trampa óptica de intensidad variable, lo cual permite ajustar a voluntad el volumen de la región en la que se halla confinada la partícula y, de esa manera, emular las fases de compresión y expansión del ciclo ordinario. Por último, el agua que rodea la partícula es calentada con un láser cuya longitud de onda coincide con uno de los picos de absorción del agua. Ello permite inducir cambios muy rápidos y precisos en la temperatura del agua (de 22 a 90 grados Celsius en 10 milisegundos) y completar así todas las fases del ciclo de Stirling.

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