Máquinas térmicas mesoscópicas: protocólos y su caracterización

Abstract

El concepto de máquina térmica propuesto por la termodinámica ha sido fundamental en el desarrollo de la física clásica. A raíz de este concepto, surgen las máquinas térmicas mesoscópicas, las cuales operan en escalas de micrómetros, donde las fluctuaciones térmicas adquieren gran importancia para modelar el sistema. En consecuencia, se debe tomar un punto de vista probabilístico del sistema según lo propuesto por la termodinámica estocástica. Una máquina térmica mesoscópica de gran interés es una partícula coloidal inmersa en un baño térmico atrapada mediante unas pinzas ópticas. Este tipo de sistemas opera fuera del equilibrio y en tiempos finitos, por lo tanto se han propuesto numerosos protocolos para lograr maximizar la potencia y eficiencia de estas máquinas térmicas. En el presente proyecto de grado se analizan tres diferentes protocolos para máquinas térmicas mesoscópicas que se basan en el ciclo de Carnot. Para ello, se da una introducción de como comprender las fluctuaciones térmicas. A continuación, se presenta un análisis detallado de la obtención de cada uno de los protocolos. A partir de esto, se simuló cada protocolo para obtener las distribuciones de calor y trabajo estocásticos, así como la eficiencia y la potencia, al fijar el tiempo de duración del protocolo. Se encontró que, a la hora de reproducir las adiabatas, el tercer protocolo presento un mejor desempeño. Asimismo, el tercer protocolo maximiza de mejor manera la potencia. Por último, el segundo protocolo presenta una mayor eficiencia. Finalmente, se concluye que el segundo o el tercer protocolo deberían ser implementados en función de los requerimientos particulares que se necesiten para la potencia y eficiencia.