In the last thirty years, experimental and theoretical advancements allowed the investigation of the thermodynamics of small systems far from equilibrium. In 1998, Ken Sekimoto showed that work and heat can be associated with individual trajectories of a Brownian particle. In this context, work becomes a stochastic quantity with a probability distribution associated, respecting important relations as the Jarzynski equality. A paradigmatic study case in stochastic thermodynamics is the fluid-immersed particle trapped in a harmonic potential, a routinely achieved situation using optical tweezers. Using the light-matter interaction, optical tweezers can trap and control colloidal particles. Thus, optical tweezers are powerful and versatile tools when analyzing the thermodynamics of small systems. In this dissertation, we have simulated the dynamics of a colloidal particle trapped in an optical tweezer in different stochastic thermodynamic contexts. By simulating the experimental system, we can verify the feasibility and the adequate parameters to study stochastic thermodynamics in practice. The two main topics studied are optimization of protocols and information-to-energy conversion. Because the work probability density function depends on the protocol, different protocols have different average work values. Among all protocols with a certain intensity and duration, the one that stands out is the optimal protocol, i.e., the process that has the minimum average work. Generally, it is hard to find the optimal protocol analytically, and often other methods are necessary. The first main result is the numerical determination of the performance of the protocols found by approximate methods (for slowly varying processes and weak processes) for different protocol times and intensities. In addition to controlling the system through the protocol, information about its state allows Maxwells demon-like experiments. The second main result is that we propose a new feedback experiment, simplifying the ideas presented in previous works. By doing so, we were able to calculate the dependency of the information-to-energy conversion and the delay time analytically. The simplifications made allow the study of feedback experiments using our actual experimental capabilities.

Nos últimos trinta anos, avanços experimentais e teóricos permitiram a investigação da termodinâmica de sistemas pequenos fora do equilíbrio. Em 1998, Ken Sekimoto mostrou que trabalho e calor podem ser associados a trajetórias individuais de uma partícula Browniana, e essas grandezas se tornam quantidade estocásticas com uma distribuições de probabilidade associadas. Um estudo de caso paradigmático em termodinâmica estocática é o de uma partícula imersa em um fluido e presa em um potencial harmônico, uma situação rotineiramente atingida com pinças ópticas. Usando as interações da luz com a matéria, pinças ópticas podem aprisionar e controlar partículas coloidais. Portanto, pinças ópticas são ferramentas poderasas e versáteis na análise da termodinâmica de sistemas pequenos. Nesta dissertação, nós simulamos a dinâmica de uma partícula coloidal aprisionada em uma pinça óptica em diferentes contextos da termodinâmica estocástica. Desta forma, nós pudemos verificar a viabilidade e os parâmetros adequados para realizar os experimentos na prática. Os dois principais tópicos estudados são de otimização de protocolos e a conversão informação-energia. Uma vez que a distribuição de probabilidade do trabalho depende do protocolo, diferentes protocolos terão valores médios para o trabalho distintos. Entre todos os protocolos, o nosso interesse esta no protocolo ótimo, isto é, o protocolo que possui o valor mínimo do trabalho médio. Geralmente é díficil encontrar expressões analíticas para o protocolo ótimo e, frequentemente, outros métodos são necessários. O primeiro resultado principal é que nós determinamos numericamente a performance de outros métodos (para processos lentos e para processos fracos) para diferentes tempos de protocolo e intensidades. Além do controle do sistema através do protocolo, a informação sobre o estado permite experimentos do tipo Demômio de Maxwell. O segundo resultado principal é a proposta de um novo experimento de feedback, simplificando as ideias apresentadas em trabalhos anteriores. Desta forma, nós conseguimos calcular a dependência da conversão informação-energia com o tempo de atraso. As simplificações feitas permitem o estudo de experimento de feedback com nossa capacidade experimental atual.