En ny studie ledd av forskare från Spanien och Tyskland har hittat en grundläggande asymmetri som visar att uppvärmning konsekvent är snabbare än kylning, utmanar konventionella förväntningar och introducerar begreppet "termisk kinematik" för att förklara detta fenomen. Resultaten publiceras i Nature Physics .
Traditionellt har uppvärmning och kylning, grundläggande processer inom termodynamiken, uppfattats som symmetriska och följa liknande vägar.
På en mikroskopisk nivå innebär uppvärmning att injicera energi i enskilda partiklar, vilket intensifierar deras rörelse. Å andra sidan innebär kylning att energi frigörs, vilket dämpar deras rörelse. En fråga har dock alltid stått kvar:Varför är uppvärmning effektivare än kyla?
För att besvara dessa frågor har forskare under ledning av docent Raúl A. Rica Alarcón från Universidad de Granada i Spanien och Dr Aljaz Godec från Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences i Tyskland introducerat ett nytt ramverk:termisk kinematics.
På tal om deras motivation bakom att utforska ett så grundläggande ämne, sa Prof. Alarcón till Phys.org, "Sedan barndomen har jag varit fascinerad av varför uppvärmning är effektivare än kylning. Och har frågor som:"Varför har vi inte en enhet som en mikrovågsugn för snabb kylning?'"
Dr. Godec tillade, "Fenomen för termisk avslappning har alltid varit ett stort forskningsämne i gruppen (detta är svåra problem inom icke-jämviktsfysik). Men specifika frågor om uppvärmnings- och kylasymmetri provocerades initialt av matematisk intuition. Vi gjorde det. förvänta dig inte att svaret ska vara så slående."
På mikroskopisk nivå är uppvärmning och kylning processer som involverar utbyte och omfördelning av energi mellan enskilda partiklar i ett system.
I samband med den senaste forskningen ligger fokus på att förstå dynamiken hos mikroskopiska system som genomgår termisk avslappning – hur dessa system utvecklas när de utsätts för temperaturförändringar.
Vid uppvärmning injiceras energi i varje partikel i ett system, vilket leder till en intensifiering av partiklarnas rörelse. Detta får dem att röra sig mer kraftfullt. Ju högre temperatur, desto intensivare blir den Brownska (eller slumpmässiga) rörelsen av dessa partiklar på grund av ökade kollisioner med omgivande vattenmolekyler.
Å andra sidan innebär kylning på mikroskopisk nivå frigöring av energi från enskilda partiklar, vilket resulterar i en dämpning av deras rörelse. Denna process motsvarar att systemet förlorar energi, vilket leder till en minskning av partikelrörelsens intensitet.
"Vårt arbete ägnas åt analysen av utvecklingen av ett mikroskopiskt system efter att det drivits långt från jämvikt. Vi överväger termaliseringen av ett mikroskopiskt system, dvs hur ett system vid en given temperatur utvecklas till temperaturen i ett termalbad det kommer i kontakt med", förklarade Dr. Godec.
Prof. Alarcón. förklarade vidare, "Ett tydligt exempel skulle vara att ta ett föremål från ett kokande vattenbad (vid 100 grader Celsius) och sänka det i en blandning av vatten och is (vid 0 grader Celsius)."
"Vi jämför hur snabbt systemet utjämnar sig med det omvända protokollet när föremålet initialt ligger i kallbadet och värms upp i kokande vatten. Vi observerar att i mikroskalan är uppvärmning snabbare än kylning, och vi förklarar detta teoretiskt genom att utveckla en ny ramverk kallar vi termisk kinematik."
Forskarna använde en sofistikerad experimentell uppställning för att observera och kvantifiera dynamiken i mikroskopiska system som genomgår termisk avslappning. Kärnan i deras experiment var optisk pincett – en kraftfull teknik som använder laserljus för att fånga enstaka mikropartiklar gjorda av kiseldioxid eller plast.
"Dessa små föremål rör sig på ett till synes slumpmässigt sätt på grund av kollisionerna med vattenmolekyler, och utför den så kallade Brownska rörelsen medan de är begränsade till ett litet område med pincett. Ju högre temperaturen i vattnet är, desto intensivare blir den Brownska rörelsen. kommer att bero på mer frekventa och intensiva kollisioner med vattenmolekyler", förklarade Prof. Alarcón.
För att inducera termiska förändringar utsatte forskarna de instängda mikropartiklarna för varierande temperaturer. De kontrollerade noggrant temperaturen i den omgivande miljön med hjälp av en brusig elektrisk signal, som simulerade ett termiskt bad.
"Vår experimentella enhet tillåter oss att spåra partikelns rörelse med utsökt precision, vilket ger tillgång till denna tidigare outforskade dynamik", säger Dr. Godec.
Genom att manipulera temperaturen och observera de resulterande rörelserna samlade teamet in avgörande data för att förstå krångligheterna med uppvärmning och kylning på mikroskalanivå.
Utvecklingen av det teoretiska ramverket (termisk kinematik) spelade en avgörande roll för att förklara de observerade fenomenen. Detta ramverk kombinerade principer från stokastisk termodynamik – en generalisering av klassisk termodynamik till individuella stokastiska banor – med informationsgeometri.
"Vi definierade avstånd och hastighet i utrymmet för sannolikhetsfördelningar och genomförde matematiska bevis med hjälp av metoder från analys för att visa att effekten är generell", förklarade Dr. Godec.
Termisk kinematik gav ett kvantitativt sätt att belysa den observerade asymmetrin mellan uppvärmnings- och kylningsprocesser. Detta gjorde det möjligt för forskarna inte bara att validera teoretiska förutsägelser utan också att utforska dynamiken mellan två valfria temperaturer, vilket avslöjade ett konsekvent mönster av uppvärmning som är snabbare än kylning.
Prof. Alarcón och Dr. Godec upptäckte en oväntad asymmetri i uppvärmnings- och kylprocesserna. Inledningsvis i syfte att experimentellt verifiera en föreslagen teori av deras kollegor vid Max Planck Institute, fann forskarna att asymmetrin sträckte sig utanför specifika temperaturintervall, vilket gäller för uppvärmning och kylning mellan två olika temperaturer.
Implikationerna av denna asymmetri sträcker sig till Brownska värmemotorer – mikroskopiska maskiner designade för att generera användbart arbete från temperaturskillnader.
"Att förstå hur ett system termaliserar med olika termiska bad kan optimera kraftgenereringsprocessen. Jämviktstiden blir en nyckelparameter för att exakt utforma enhetens driftsprotokoll", förklarade Prof. Alarcón.
Även om det inte finns några omedelbara praktiska tillämpningar, föreställer sig forskarna förbättrad effektivitet i mikromotorer, lasttransporter i mikroskala och material som kan självmontera eller självreparera.
De bredare implikationerna tyder på bidrag till utvecklingen av nya allmänna teorier för dynamiken i Brownska system som drivs långt ifrån jämvikt.
"Vi förväntar oss att effekten inte är begränsad till termiska störningar, släcker i sammansättning, etc., och kommer sannolikt att uppvisa analoga asymmetrier. Vid det här laget är det för tidigt att uttala sig om dessa situationer, men vi tänker verkligen redan på det. ", tillade Dr. Godec.
Prof. Alarcón avslutade och sa:"Vi strävar efter att bredda våra resultat till olika protokoll och system, genom att genomföra experiment som involverar små grupper av interagerande partiklar och system med bruten tidsomkastningssymmetri. Förbättra teoretisk förståelse och matematisk kontroll av icke-självadjoint stokastisk System är avgörande för denna riktning. Vår pågående strategi innebär samtidig utveckling av experiment och teorier."
Mer information: M. Ibáñez et al, Uppvärmning och kylning är i grunden asymmetriska och utvecklas längs distinkta vägar, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
