Термодинамическая магия

Физики в Университете Цюриха разработали удивительно простое устройство, позволяющее временно передавать тепло от холодного к теплому объекту без внешнего источника питания. Интересно, что этот процесс изначально противоречит фундаментальным законам физики.

Если на кухонный стол поставить чайник с кипящей водой, он постепенно остынет. Тем не менее, его температура не будет ниже, чем температура стола. Именно этот повседневный опыт иллюстрирует один из фундаментальных законов физики — второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия замкнутой природной системы должна возрастать со временем. Или, проще говоря: тепло может течь само по себе только от более теплого к более холодному объекту, а не наоборот.

Охлаждение ниже комнатной температуры

Результаты недавнего эксперимента, проведенного исследовательской группой профессора Андреаса Шиллинга на кафедре физики в Цюрихском университете (UZH), на первый взгляд бросают вызов второму закону термодинамики.

Исследователям удалось охладить кусок меди весом девять граммов с температуры свыше 100 ° C до температуры значительно ниже комнатной без внешнего источника питания. «Теоретически, это экспериментальное устройство может превращать кипящую воду в лед без использования энергии», — говорит Шиллинг.

Чтобы достичь этого, исследователи использовали элемент Пельтье, который обычно используется, например, для охлаждения мини-баров в гостиничных номерах. Эти элементы могут преобразовывать электрические токи в перепады температур. Исследователи уже использовали этот тип элемента в предыдущих экспериментах в связи с электрическим индуктором, чтобы создать колеблющийся тепловой ток, в котором поток тепла между двумя телами постоянно изменял направление.

В этом сценарии тепло также временно течет от более холодного к более теплому, так что более холодный объект дополнительно охлаждается. Этот вид «теплового колебательного контура» в действительности содержит «тепловой индуктор». Он функционирует так же, как электрический колебательный контур, в котором напряжение колеблется с постоянно меняющимся знаком.

Законы физики остаются неизменными

До сих пор команда Шиллинга эксплуатировала эти тепловые колебательные контуры только с использованием источника энергии. Теперь исследователи впервые показали, что этот тип теплового колебательного контура также может работать «пассивно», то есть без внешнего источника питания.

По-прежнему происходили тепловые колебания, и через некоторое время тепло передавалось непосредственно из более холодной меди в более теплую ванну с температурой 22°C без временного преобразования в другую форму энергии. Несмотря на это, авторам также удалось показать, что процесс не противоречит никаким законам физики. Чтобы доказать это, они рассмотрели изменение энтропии всей системы и показали, что оно увеличивается со временем — в полном соответствии со вторым законом термодинамики.

Хотя команда ученых зафиксировала разницу только около 2°C по сравнению с температурой окружающей среды в эксперименте, это было главным образом из-за ограничений производительности используемого коммерческого элемента Пельтье.

Согласно Шиллингу, теоретически было бы возможно достичь охлаждения до -47°C при тех же условиях, если бы можно было использовать «идеальный» элемент Пельтье, который еще предстоит изобрести: «С этой очень простой технологией любое количество горячего твердого, жидкого или газообразного материала может быть охлаждено до температуры значительно ниже комнатной без какого-либо энергопотребления «.

Пассивная тепловая цепь может использоваться так часто, как это нужно, без необходимости подключения ее к источнику питания. Однако ученые признают, что до широкомасштабного применения этой технологии еще далеко. Одна из причин заключается в том, что доступные в настоящее время элементы Пельтье недостаточно эффективны. Кроме того, установка тока требует использования сверхпроводящих индукторов для минимизации электрических потерь.

«Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a ‘thermal inductor'» Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aat9953