Belief in thermodynamics has provoked false thermodynamics of superconductors

Resumen Técnico: "La creencia en la termodinámica ha provocado una termodinámica falsa de los superconductores"

Planteamiento del problema
El artículo sostiene que la comprensión convencional de la termodinámica de la superconductividad, particularmente respecto al efecto Meissner y las transiciones de fase, es fundamentalmente errónea. El autor postula que una "fe ciega" en la validez absoluta de la segunda ley de la termodinámica (específicamente la imposibilidad del movimiento perpetuo) ha obligado a la comunidad de la física a ignorar las contradicciones entre las teorías establecidas de la superconductividad (como BCS y Ginzburg-Landau) y las leyes termodinámicas fundamentales. El problema central identificado es que la derivación estándar de la igualdad de las energías libres en el campo magnético crítico ($H_c$) y el supuesto de una transición de fase de primer orden reversible contradicen la segunda ley de la termodinámica y la ley de la conservación de la energía.

Metodología y marco teórico
El autor emplea una revisión crítica de la literatura histórica y contemporánea, centrándose en:

1. Ciclos termodinámicos: Un análisis detallado del "ciclo de Gorter" (un ciclo termodinámico cerrado que implica enfriamiento, aplicación de un campo magnético, calentamiento y desconexión del campo) para calcular el intercambio de trabajo y calor.
2. Análisis del balance de energía: El examen del trabajo realizado por las fuentes de alimentación de solenoides para crear campos magnéticos en estados normales frente a superconductores, distinguiendo entre la energía del campo magnético ($E_m$) y el trabajo de magnetización.
3. Comparación de teorías: El contraste entre la termodinámica "falsa" encontrada en la mayoría de los libros de texto (atribuida a Gorter y Casimir) con las derivaciones "correctas" de V.L. Ginzburg y P.G. de Gennes, y el análisis de los argumentos presentados por J. Hirsch respecto a la superconductividad de huecos.
4. Fenómenos cuánticos: La integración de observaciones de fenómenos cuánticos macroscópicos, como la cuantización del flujo magnético y las corrientes persistentes en anillos con resistencia no nula, para desafiar el principio de correspondencia y el supuesto de desorden molecular requerido para la segunda ley.

Contribuciones y argumentos clave

• La contradicción del efecto Meissner: El artículo afirma que el efecto Meissner (la expulsión de campos magnéticos) viola la segunda ley de la termodinámica. En un ciclo de Gorter cerrado, el trabajo excedente negativo realizado por la fuente de alimentación durante la transición al estado superconductor implica una disminución de la entropía o la creación de trabajo útil a partir de calor sin un gradiente de temperatura, funcionando efectivamente como una máquina de movimiento perpetuo de segunda especie.
• Crítica al modelo de Gorter-Casimir: El autor argumenta que C.J. Gorter y H. Casimir (134) derivaron la "ecuación básica" de la termodinámica de los superconductores ($F_n - F_s = \mu_0 H_c^2 / 2$) mediante una afirmación falsa: que el trabajo realizado por una fuente de corriente crea la energía de magnetización ($-HdM$) en lugar de la energía del campo magnético ($HdB$). Este error permitió que equiparan las energías libres en $H_c$ mientras violaban la segunda ley.
• Deficiencias en los libros de texto estándar: La mayoría de los libros de texto (por ejemplo, Shoenberg, Tinkham, Abrikosov) propagan este error al asumir que la energía libre permanece inalterada en el estado normal bajo un campo magnético o al definir arbitrariamente la energía libre de Gibbs para forzar la igualdad de fases en la transición. El autor sostiene que estas definiciones son arbitrarias y violan la ley de la conservación de la energía.
• La tarea de Keesom e irreversibilidad: El artículo destaca que la teoría BCS convencional no logra resolver la "tarea de Keesom": explicar cómo las corrientes persistentes pueden ser aniquiladas antes de que el material gane resistencia (para evitar la generación de calor Joule) durante la transición al estado normal. El autor señala que la evidencia experimental de corrientes persistentes en anillos con resistencia no nula ($R > 0$) refuta la idea de que estas corrientes se aniquilan antes que la resistencia, confirmando así la violación de la segunda ley.
• Crítica a J. Hirsch: Aunque reconoce la identificación de contradicciones en la teoría BCS por parte de J. Hirsch, el autor argumenta que la teoría alternativa de la "superconductividad de huecos" de Hirsch también falla en resolver las contradicciones termodinámicas. Hirsch es criticado por repetir el error de Gorter-Casimir respecto al trabajo realizado en el ciclo de Gorter y por analogizar falsamente el ciclo a un motor de Carnot.

Resultados y observaciones

• Inconsistencia termodinámica: El análisis demuestra que la igualdad de las energías libres ($F_s = F_n$) en el campo crítico $H_c$ no puede derivarse sin contradecir la segunda ley de la termodinámica. Si la transición es reversible (como se supone para una transición de fase de primer orden), el trabajo realizado por la fuente de alimentación debe resultar en una disminución neta de la entropía o en una violación de la conservación de la energía.
• Corrientes persistentes como fuentes de potencia DC: El artículo cita observaciones experimentales de corrientes persistentes ($I_p \neq 0$) en anillos con resistencia no nula ($R > 0$) y el voltaje/potencia DC resultante ($W = V_{dc}I_p$) en anillos asimétricos. Estos fenómenos se presentan como evidencia experimental de una fuente de potencia DC que opera en equilibrio termodinámico, lo cual contradice la segunda ley.
• Regresión en la comprensión: El autor concluye que la comunidad de la superconductividad ha retrocedido en su comprensión de la termodinámica, olvidando que la disipación de la energía cinética en calor Joule es un proceso irreversible. Esta "regresión" se atribuye a la creencia dogmática en la imposibilidad del movimiento perpetuo.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma que la "termodinámica falsa de los superconductores" es una consecuencia directa de siglos de fe en la imposibilidad de las máquinas de movimiento perpetuo, más que de una comprensión científica rigurosa. El autor asevera que:

1. El efecto Meissner y la existencia de corrientes persistentes macroscópicas en anillos resistivos constituyen violaciones experimentales de la segunda ley de la termodinámica.
2. Las teorías convencionales (BCS, Ginzburg-Landau) y sus interpretaciones termodinámicas son fundamentalmente inconsistentes con las leyes de conservación de la energía y la entropía.
3. La comunidad científica ha ignorado estas contradicciones durante casi un siglo debido a la "fe ciega", llegando a una situación en la que los expertos aceptan teorías que contradicen las leyes físicas básicas.
4. El autor pide una reevaluación de la segunda ley, sugiriendo que el supuesto de desorden molecular (necesario para la validez de la ley) es violado en sistemas cuánticos macroscópicos. El artículo concluye que la energía de una batería podría teóricamente incrementarse mediante el trabajo excedente negativo en un ciclo de Gorter, un fenómeno que el autor sugiere puede ser corroborado experimentalmente.

El artículo no propone una nueva teoría de la superconductividad, sino que exige que se reconozcan las contradicciones existentes y que la "termodinámica falsa" que actualmente se enseña en el campo sea descartada en favor de un marco que acepte estas aparentes violaciones de la segunda ley.