Minha pesquisa se concentra nos seguintes temas
Termodinâmica a tempo finito
A origem da Termodinâmica remete ao interesse dos seres humanos em controlar sistemas naturais. A 2.a lei da Termodinâmica estabelece que sempre existe um custo energético associado a esse controle e que seu valor mínimo é alcançado no limite ideal de controles infinitamente lentos. Na prática, porém, só conseguimos realizar processos de duração finita. É natural, portanto, se perguntar: Qual o custo energético mínimo para processos realizados a tempo finito? Como encontrar esses processos a tempo finito que minimizam o custo energético? Veja abaixo algumas referências sobre o tema:
B. Andrensen, P. Salamon e R. S. Berry, Thermodynamics at finite time, Phys. Today 37(9), 62 (1984).
D. A. Sivak e G. E. Crooks, Thermodynamic metric and optimal paths, Phys. Rev. Lett. 108, 190602 (2012).
Marcus V. S. Bonança e S. Deffner, Optimal driving of isothermal processes close to equilibrium, J. Chem. Phys. 140, 244190 (2014)
S. Deffner e Marcus V. S. Bonança, Thermodynamic control – an old paradigm with new applications, EPL 131, 20001 (2020).
Atalhos para adiabaticidade
De maneira geral, somente no limite ideal de processos infinitamente lentos, isto é, quase-estáticos, é que conseguimos manipular um sistema físico com um custo energético mínimo. Isso porque manipulações a tempo finito induzem, em geral, transições entre estados com energias diferentes. Seria possível manipular um sistema físico a tempo finito sem causar transições? Seria possível realizar os mesmos efeitos de uma processo quase-estático a tempo finito? Se sim, tais processos consistiriam “atalhos” para adiabaticidade (no sentido mecânico do termo). Veja algumas referências sobre o tema abaixo:
C. Jarzynski, Generating shortcuts to adiabaticity in quantum and classical dynamics, Phys. Rev. A 88, 040101(R) (2013).
D. Guéry-Odelin et al., Shortcuts to adiabaticity: concepts, methods and applications, Rev. Mod. Phys. 91, 045001 (2019).
T. V. Acconcia, Marcus V. S. Bonança e S. Deffner, Shortcuts to adiabaticity from linear response theory, Phys. Rev. E 92, 042148 (2015).
Máquinas térmicas quânticas
Desenvolvimentos tecnológicos recentes possibilitaram a construção de máquinas térmicas de poucos átomos, operando no regime quântico e fora do equilíbrio. Podemos então nos perguntar: As leis da Termodinâmica usual se aplicam a essas máquinas? O regime quântico introduz novos elementos na análise termodinâmica desses dispositivos? Além disso, podemos investigar como melhorar a eficiência dessas máquinas mantendo finita a potência produzidas por elas. Veja abaixo algumas referências sobre o tema:
V. Blickle e C. Bechinger, Realization of a micrometer-sized stochastic heat engine, Nature Physics 8, 143 (2012).
J. Rossnagel et al., A single-atom heat engine, Science 352, 325 (2016).
Marcus V. S. Bonança, Approaching Carnot efficiency at maximum power in linear response regime, J. Stat. Mech. 123203 (2019).
Produção de entropia em sistemas fora do equilíbrio
Como quantificar o grau de irreversibilidade de um processo termodinâmico? Estaria isso relacionado com a eficiência de uma máquina térmica? Seria verdade que os processos mais irreversíveis são necessariamente mais abruptos? Como comparar a irreversibilidade presente em sistemas que evoluem de maneira transiente e estacionária fora do equilíbrio? Todas essas questões estão relacionadas ao conceito de produção de entropia. Veja algumas referências sobre o tema a seguir:
M. Esposito e C. Van den Broeck, Three faces of the second law. I., Phys. Rev. E 82, 011143 (2010).
Marcus V. S. Bonança e C. Jarzynski, Conditional reversibility in nonequilibrium stochastic systems, Phys. Rev. E 93, 022101 (2016).
P. Nazé e Marcus V. S. Bonança, Compatibility of linear-response theory with the second law of thermodynamics and the emergence of negative entropy production rates, J. Stat. Mech. 013206 (2020).
Demônios de Maxwell
Violar a 2.a Lei da Termodinâmica implica em realizar processos nunca antes observados como, por exemplo, um pote de sorvete que, ao ser retirado da geladeira, resfria-se espontaneamente. No final do Séc.XIX, Maxwell imaginou uma situação que aparentemente possibilitaria esses feitos. Tal experimento de pensamento ficou conhecido como Demônio de Maxwell. A situação elaborada por Maxwell ainda provoca investigações nos dias atuais e está intimamente ligada ao entendimento que temos de entropia. Veja abaixo uma lista de referências sobre o tema:
Z. Lu, D. Mandal e C. Jarzynski, Engeneering Maxwell’s demon, Phys. Today 67(8), 60 (2014).
S. Deffner, Exorcising Maxwell’s demon, Physics 8, 127 (2015).
T. V. Acconcia e Marcus V. S. Bonança, Microcanonical Szilard engines beyond the quasistatic regime, Phys. Rev. E 96, 062117 (2017).
A. Soriani e Marcus V. S. Bonança, Energy extraction of a chaotic system in a cyclic process: a Szilard engine perspective, J. Stat. Mech. 083210 (2019).
O papel do caos em sistemas fora do equilíbrio
A maioria dos sistemas naturais evoluem espontaneamente para uma estado de equilíbrio termodinâmico. Qual seria o mecanismo que levaria a esse tipo de comportamento? Seria meramente uma propriedade natural de sistemas com muitas partículas? Se sim, quando o número de partículas é reduzido, não deveríamos observar nenhum tipo de equilibração. Isso, no entanto, não é o que se observa e tal fato está relacionado com o que chamamos de caos. Veja abaixo uma lista de referências a respeito:
C. Jarzynski, Thermalization of a Brownian particle via coupling to low-dimensional chaos, Phys. Rev. Lett. 74, 2937 (1995).
D. Dürr e H. Spohn, Brownian motion and microscopic chaos, Nature 394, 831 (1998).
Marcus V. S. Bonança e M. A. M. de Aguiar, Quantum dissipation and decoherence via interaction with low-dimensional chaos: a Feynman-Vernon approach, Phys. Rev. A 74, 012105 (2006).
A. M. Faria e Marcus V. S. Bonança, Verification of finite-bath fluctuation theorem for a non-ergodic system, J. Phys. A 53, 345002 (2020).
