Fysiker vid universitetet i Zürich har utvecklat en otroligt enkel enhet som gör att värme kan flyta tillfälligt från en förkylning till ett varmt föremål utan extern strömförsörjning. Intressant nog, processen verkar initialt motsäga fysikens grundläggande lagar.

Om du lägger en tekanna med kokande vatten på köksbordet, det kommer gradvis att svalna. Dock, dess temperatur förväntas inte sjunka under tabellens. Det är just denna vardagliga upplevelse som illustrerar en av fysikens grundlagar - termodynamikens andra lag - som säger att entropin i ett slutet naturligt system måste öka med tiden. Eller, enklare uttryckt:Värme kan flöda av sig själv endast från ett varmare till ett kallare föremål, och inte tvärtom.

Kylning under rumstemperatur

Resultaten från ett experiment som nyligen genomförts av forskargruppen för professor Andreas Schilling vid Institutionen för fysik vid Zürichs universitet (UZH) verkar vid första ögonkastet utmana termodynamikens andra lag. Forskarna lyckades kyla en kopp på nio gram koppar från över 100 ° C till betydligt under rumstemperatur utan extern strömförsörjning. "Teoretiskt sett denna experimentella enhet kan göra kokande vatten till is, utan att använda någon energi, säger Schilling.

Skapar oscillerande värmeströmmar

För att uppnå detta, forskarna använde ett Peltier -element, en komponent som vanligtvis används, till exempel, för att kyla minibarer på hotellrum. Dessa element kan omvandla elektriska strömmar till temperaturskillnader. Forskarna hade redan använt denna typ av element i tidigare experiment, i anslutning till en elektrisk induktor, att skapa en oscillerande värmeström där värmeflödet mellan två kroppar ständigt ändrade riktning. I detta scenario, värme rinner också tillfälligt från ett kallare till ett varmare föremål så att det kallare objektet kyls ner ytterligare. Denna typ av "termisk oscillerande krets" innehåller i själva verket en "termisk induktor". Den fungerar på samma sätt som en elektrisk oscillerande krets, där spänningen oscillerar med ett ständigt föränderligt tecken.

Fysiklagarna förblir intakta

Tills nu, Schillings team hade bara drivit dessa termiska oscillerande kretsar med hjälp av en energikälla. Forskarna har nu för första gången visat att denna typ av termisk oscillerande krets också kan manövreras "passivt", dvs utan extern strömförsörjning. Termiska svängningar inträffade fortfarande och efter ett tag, värme flödade direkt från det kallare koppar till ett varmare värmebad med en temperatur på 22 ° C, utan att tillfälligt omvandlas till en annan form av energi. Trots detta, författarna kunde också visa att processen faktiskt inte motsäger några fysikaliska lagar. För att bevisa det, de övervägde förändringen i hela systemets entropi och visade att det ökade med tiden - helt i enlighet med termodynamikens andra lag.

Potentiell applikation är fortfarande långt kvar

Även om teamet noterade en skillnad på endast cirka 2 ° C jämfört med omgivningstemperaturen i experimentet, detta berodde främst på prestandabegränsningarna för det kommersiella Peltier -elementet som användes. Enligt Schilling, det skulle i teorin vara möjligt att uppnå kylning av upp till -47 ° C under samma förhållanden, om det "ideala" Peltier -elementet - ännu inte uppfunnits - skulle kunna användas:"Med denna mycket enkla teknik, stora mängder het fast substans, flytande eller gasformiga material kan kylas till långt under rumstemperatur utan energiförbrukning. "

Den passiva termiska kretsen kan också användas så ofta som önskat, utan att behöva ansluta den till en strömförsörjning. Dock, Schilling medger att en storskalig tillämpning av tekniken fortfarande är långt borta. En anledning till detta är att de Peltier -element som för närvarande inte är tillräckligt effektiva. Vidare, den nuvarande uppställningen kräver användning av supraledande induktorer för att minimera elektriska förluster.

Etablerade uppfattningar utmanas

UZH-fysikern anser att arbetet är mer betydelsefullt än bara en "princip-bevis" studie:"Vid första ögonkastet, experimenten verkar vara en slags termodynamisk magi, och utmanar därmed i viss utsträckning våra traditionella uppfattningar om värmeflödet. "