Exorcizando o Demônio de Maxwell

A perda de calor produzido nos fios elétricos ou nos freios de carros é bem conhecida. O que ainda não estamos familiarizados é com a perda de calor que ocorre ao apagarmos uma memória digital. Agora, um experimento inspirado em um demônio metafórico, que ficou conhecido na física como Demônio de Maxwell, conseguiu medir este calor fundamental, que poderá um dia limitar a potência dos computadores.
Imagem no infravermelho, mostrando o calor liberado pelos computadores.
O Demônio de Maxwell
Em 1867, o físico James Clerk Maxwell descreveu a seguinte experiência imaginária:

..." Se nós imaginássemos um ser, que tivesse uma capacidade tão apurada, de tal forma que ele pudesse acompanhar o caminho de cada molécula, e cujos atributos fossem essencialmente finitos como os nossos, tal ser teria a habilidade de fazer o que é impossível para nós. Sabemos que as moléculas, em um recipiente cheio de ar à temperatura uniforme, se movem com velocidades que não são uniformes, embora a velocidade média de um grande número delas, arbitrariamente selecionadas, é quase exatamente uniforme. Agora vamos supor que tal recipiente fosse dividido em duas partes, A e B, com uma divisão na qual houvesse uma estreita passagem, e que aquele ser, que pudesse ver as moléculas individualmente, abrisse e fechasse esta passagem, a fim de permitir que somente as moléculas mais rápidas passassem de A para B, e apenas as mais lentas passassem de B para A. Ele iria, desse modo, sem realizar trabalho, elevar a temperatura de B e abaixar a de A, em contradição com a segunda lei da termodinâmica"...

Este ser, finito e imaginário, que controlaria a abertura e fechamento da passagem entre A e B,  foi descrito pela primeira vez como o Demônio de Maxwell, pelo físico conhecido como Lord Kelvin, em um artigo de 1874, publicado na revista Nature, e tinha a conotação de um ser destinado à mediação, e não o significado malevolente da palavra. 
Figura esquemática, mostrando a atuação do Demônio de Maxwell.

Veja na figura acima, uma representação esquemática do experimento. As bolinhas vermelhas representam as moléculas mais quentes (mais rápidas), e as bolinhas azuis representam as mais frias (mais lentas).

Críticas e Desenvolvimento
O Objetivo de Maxwell era mostrar que a 2ª Lei da Termodinâmica tem somente uma certeza estatística, e que poderia ser violada em flutuações momentâneas. Muitos físicos, no entanto, têm mostrado através de cálculos, que esta lei não é violada, se uma completa análise for feita considerando-se todo o sistema, incluindo-se o demônio.
Em 1961, o físico Rolf Landauer, que trabalhava na IBM, propôs que a chave para o enigma estava na memória do demônio. Para que a criatura reunisse informações sobre o movimento das moléculas, ela precisaria apagar uma memória anterior. Landauer sugeriu que o processo de apagamento dissiparia calor. Este calor gasto poderia equilibrar o trabalho útil adquirido pelo demônio e garantir que, de fato, não houvesse diminuição da entropia, a grandeza física que indica a medida da "desordem" de um sistema.

Exorcizando o Demônio
Quando Landauer propôs que o ato de apagar a memória dissiparia calor, nem todos concordaram com sua explanação. Agora, recentemente, este artigo da New Scientist desta semana, nos informa que o físico Eric Lutz , da Universidade de Augsburg, na Alemanha, e seus colegas, demostraram que há de fato uma quantidade mínima de calor produzido por bit de dados apagados. Este assim chamado limite de Landauer é a prova de que o Demônio não se alimenta de graça. "Nós exorcizamos o Demônio", diz Lutz.
Os "exorcistas" utilizaram um laser que podia definir a posição de um pequeno grânulo de vidro. O laser era focado para dar aos grânulos duas posições estáveis, esquerda e direita, ou 0 e 1. A memória resultante de um bit pode armazenar um 0 ou 1, mas as memórias são sempre apagadas pelo restabelecimento delas de volta ao 0. A equipe descobriu que o calor gerado ao apagar um bit nunca é inferior ao limite de Landauer.

Isto tem implicações profundas para a indústria de microchips, diz Lutz. Atualmente os chips produzem aproximadamente 1000 vezes mais calor por bit, devido à resistência em seus fios. Os fabricantes de chips estão trabalhando nisso, mas vai chegar um ponto em que não se poderá mais reduzi-lo. "A tecnologia baseada no Silício prevê que este limite de Landauer poderá ser atingido daqui a 20 ou 30 anos", diz Lutz. Aí então, a capacidade de compactar cada vez mais bits em um único chip dependerá da maneira que deverá ser encontrada para resfriá-los mais eficazmente, assim que eles começarem a brilhar com o calor fundamental do esquecimento.

Fontes:
Newscientist.com - physics "demon" reveals fundamental heat of forgetting
http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_demon
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11 comentários:

  1. Olá Jairo,
    Nunca tinha ouvida sobre o Demônio de Maxwaell. Como sempre trazendo artigos interessantes.
    Deixe-me ver se entendi direito: quando a memória está sendo apagada, então é gerado uma dissipação de calor; esse calor é proveniente dos fios microscópicos contidos nos chips. É isso? Dessa forma, quanto maior a área de memória a ser apagada, maior o calor dissipado. É interessante.

    Olha só Jairo: eu sou técnico eletrônico já há alguns anos. Produzimos equipamentos microprocessados e já havia percebido que, quando é dado o comando para apagar a memória, o consumo de corrente aumenta em alguns poucos mA. O Consumo do aparelho é de 17mA e varia até cerca de 21mA. Será que tem alguma coisa a ver? Se assim for, o aumento de uma corrente elétrica passando por um fio condutor, dissipa mais calor com seu aumento; quanto maior a capacidade da memória, maior o tempo para apagá-la, maior o tempo consumindo mais corrente e maior o tempo dissipando calor.

    Não sei se essa ocorrência está intrínseca em todos os chips de memória.

    Obrigado novamente por nos propiciar tão agradável leitura nos instruíndo de maneira brilhante!

    Abraços.

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  2. Oi, Jairo

    Não é a toa que Maxwell fez descobertas notáveis em Física. É só ver este exemplo de sua criatividade ao conceber este modelo imaginário ( demônio ) para explicar a suposta fragilidade das observações da termodinãmica.

    Quando li a parte da IBM foi inevitável lembrar da UBM. Lá tem um blog de química filiado. O que acha? E tem tb alguns blogs de matemáticas que, na sua maioria de posts, são assuntos gerais, sem cálculos.

    Um grande abraço!

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  3. Olá Kleber.
    Esta história do Demônio de Maxwell nos mostra mais um exemplo de como se dá o processo histórico de construção do conhecimento. Alguém propõe o que seria um enigma, e atrás dele surgem diversas tentativas, bem ou mal sucedidas, e mais ou menos aceitas, a fim de descifrá-lo.
    Eu acredito que você esteja correto em todas as afirmações que fez. Acho que o fato de a corrente aumentar durante o apagamento da memória, só vem comprovar o que os físicos concluíram através dos experimentos atuais. Como sabemos, pela fórmula P=U.i, para uma tensão constante, um aumento na corrente provoca uma elevação da potência, gerando maior quantidade de calor, que precisa ser dissipado através de um imprescindível processo de resfriamento.
    Mais uma vez agradeço aos seus importantes complementos ao assunto.
    Abraço

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  4. Oi, Aloísio.
    Muitos consideram Maxwell como o físico mais importante do séc. XIX. Ele trabalhou em diversas áreas da física e, como você bem deve saber, também da matemática. Os seus estudos em eletromagnetismo deram a base para a Teoria da Relatividade Restrita de Einstein. Acho que só por isso já seria merecedor do título de gênio.

    Particularmente na criação deste enigma do demônio,ele fez com que se considerasse a forma de pensar em termos estatísticos, ao tratarmos de sistemas complexos envolvendo uma quantidade muito grande de possibilidades de velocidades e posições das partículas, tais como as moléculas e átomos. Aí estaria o embrião da mecânica quântica.

    Quanto à UBM, eu expliquei na época de sua criação, para o Kleber e o Valdir, que achava que os blogs filiados deveriam ter um foco maior na matemática, o que não é o caso do INFRAVERMELHO. Acho que se misturar muitos temas isso pode não agradar aqueles que procuram a UBM para encontrar exclusivamente por assuntos ligados à matemática. No entanto, eu já participei de alguns carnavais por lá.
    Obrigado pela participação, enriquecendo o post.
    Abraço

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  5. Olá, Jairo!!!!

    Eita, que postagem porreta!!!! Parabéns, mais que merecidos, grande parceiro!!!!

    O Maxwell deve ter usado essa história do "Demônio", talvez, para simbolizar, segundo as "autoridades" religiosas, que afirmam ser o Lúcifer o opositor da lei divina, então, esse ente imaginado por Maxwell, seria também o ente para a violação da ordem estabelecida e agora, dogmatizada pela Termodinâmica!!! Perfeito!!! Além de chamar a atenção por citar um termo semântico, também tem essa coisa de já ali, acredito, ter percebido que o mundo do microcosmos, embora pareça com o nosso, certas coisas que se dão por lá, são... por assim dizer... coisa de maluco!!!! Terra infestada de fantasmas, demônios, duendes e outros entes criados pelo imaginário do ser humano, enfim... tal qual se fala, como o Leonardo da Vinci, se escudando através da arte da pintura, usou passar informações científicas que não eram bem-vindas naquela época, o Maxwell mesmo vivendo numa "época de ouro" para a apresentação das verdades científicas, cria a figura do "Demônio" para estabelecer a sua teoria da contradição à segunda lei da Termodinâmica!!!!

    Sei que o assunto é muito novo, mas, mesmo assim , eu me arrisco a perguntar: Jairo, a tal da memória "spintrônica" que vem por aí, também seria regida por esse "Demônio de Maxwaell"????

    Abraço!!!!!

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  6. Olá, Valdir.
    Na verdade, não foi Maxwell que propôs a palavra demônio. Eu pesquisei um pouco mais e achei nada mais nada menos do que o livro original escrito por este grande cientista, com o trecho em que ele expõe este experimento imaginário, que se tornaria mais tarde um enigma, e que recebeu o nome de demônio, dado por Willian Thomson. Esta no finalzinho da página 338 do livro "Teoria do Calor", e o subtítulo é "Limitação da Segunda Lei da Termodinâmica". O texto eu traduzi, e está entre aspas no post. Se quiser dar uma olhadinha no original, só por curiosidade, clica no seguinte link:
    http://www.archive.org/stream/theoryofheat00maxwrich#page/n357/mode/2up

    Quanto à memória spintrônica eu pesquisei no seguinte site:

    http://www.tecmundo.com.br/aumentar-desempenho/3295-memoria-spintronica.htm#

    Pelo que eu entendi, o processo de armazenamento de memória na spintrônica seria um pouco diferente. No caso das memórias que ainda usam eletrônica,a produção de calor é maior, mas não posso te dizer com certeza se na spintrônica poderíamos aplicar os mesmos conceitos. Como você diz, é uma tecnologia recente, mas se eu tivesse que arriscar, acho que ao precisar inverter o sentido de rotação do elétron, passando-o da representação 1 para a representação 0, que corresponderia ao apagamento da memória, haveria também uma produção extra de calor, mas como eu disse, é apenas uma suposição minha.

    Abraço

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  7. Olá Jairo,

    Mais um ótimo post. Cá agora, deixei o link do seu blog para uma galera que conheci, por intermédio de um amigo pessoal, para se nutrirem do conhecimento científico - deixando a recomendação de que não apenas lessem seus artigos, como também os comentassem aqui.

    Abraços.

    Cavalcanti.

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  8. Oi Jairo! Me perdoe a ignorância em Física, No caso da moringa: Seria o calor externo que fornece a energia para resfriar a moringa!!!?

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  9. Cavalcanti:
    Mais uma vez devo agradecê-lo pelo apoio e divulgação.
    Abraço.

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  10. Olá, Tavano:
    Não esquenta a "moringa".
    Eu vou reproduzir aqui a melhor resposta para esta questão, que por sinal encontrei no Yahoo resposta. Pode acreditar, esta é uma resposta que explica direitinho o que ocorre neste caso.

    "A água fica fresca porque a moringa ou os filtros chamados de barro são permeáveis, então a água que está dentro atravessa as paredes da moringa, deixando a parte externa dessa úmida, impedindo a entrada do calor, pois esse calor fica na função de fazer evaporar essa água externa não tendo acesso à água que está no interior da moringa. A água que está no interior da moringa adquire a temperatura da própria moringa.
    Esse processo é contínuo ou seja ao evaporar, mais água chega para "proteger" a água que permanece lá dentro.
    Quer uma prova de que é por isso?
    Pegue duas moringas iguais, pinte uma delas com tinta esmaltada, coloque água nas duas da mesma torneira ou mesma temperatura, experimente a água das duas no dia seguinte, você vai ver que a água da moringa pintada estará mais quente porque você a impermeabilizou."

    Então. Entendeu? Respondendo mais especificamente à sua pergunta: As gotículas de água que ficam nas paredes da moringa, para evaporarem, retiram calor da própria parede de barro, que por sua vez mantém a água fresquinha no interior.

    Obrigado pela participação por aqui. esteja à vontade para perguntar o que quiser. No que for possível, eu ajudarei, OK?

    Abraço

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  11. Oi, amigo Grossi

    Pode me passar no email "teixeira.aloisio@gmail.com" o código do seu banner? Obrigado.

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