جادوی ترمودینامیکی، خنک کردن بدون صرف انرژی را میسر می سازد

از لحاظ نظری، این دستگاه تجربی می تواند، بدون مصرف انرژی، آب جوش را به یخ تبدیل کند.
اعتبار: آندریاس شیلینگ، UZH
    

فیزیکدانان دانشگاه زوریخ یک وسیله شگفت آور ساده را ایجاد کرده اند که به طور موقت اجازه می دهد که حرارت از یک جسم سرد به یک جسم گرم بدون استفاده از منبع برق خارجی جریان یابد. جالب توجه است، این فرآیند در ابتدا به نظر می رسد با قوانین اساسی فیزیک (قانون دوم ترمدینامیک) مغایرت دارد.

اگر قوری آب جوش را روی میز آشپزخانه قرار دهید، به آرامی سرد می شود. با این حال، انتظار نمی رود که دمای آن به  پایین تر از دمای میز سقوط کند. دقیقا این تجربه‌ای روزمره است که جاری بودن یکی از قوانین اساسی فیزیک - قانون دوم ترمودینامیک - را نشان می دهد که بیان می کند که آنتروپی یک سیستم طبیعیِ بسته، با گذشت زمان افزایش می یابد. یا به طور ساده تر می توان گفت: گرما تنها می تواند از یک جسم گرمتر به یک جسم سردتر جریان یابد و نه بر عکس.
 

نتایج یک آزمایش اخیر که توسط گروه تحقیقاتی پروفسور آندریاس شیلینگ در گروه فیزیک دانشگاه زوریخ (UZH) انجام شده است در ابتدا به نظر می رسد می خواهد قانون دوم ترمودینامیک را به چالش بکشد. محققان موفق به سرد کردن یک قطعه مس 9 گرمی از دمای بیش از 100 درجه سانتیگراد به دمایی که به طور قابل توجهی کمتر از دمای اتاق بود، بدون استفاده از یک منبع تغذیه خارجی، شدند. شیلینگ توضیح می دهد: "از لحاظ نظری، این دستگاه تجربی می تواند بدون استفاده از انرژی، آب جوش را به یخ تبدیل کند."
 

برای رسیدن به این هدف، محققان از یک عنصر پِلتیِر استفاده کردند، که مؤلفه‌ای است که معمولا از آن برای خنک کردن مواردی از جمله مثلاً مینی بارها در اتاق های هتل استفاده می شود. این عناصر می توانند جریان های الکتریکی را به اختلاف های دما تبدیل کنند. محققان قبلا از این نوع عنصر در آزمایش های قبلی، در ارتباط با یک القاگر الکتریکی استفاده کرده بودند تا یک جریان گرمایی نوسان کننده را ایجاد کنند که در آن جریان گرما بین دو ذره به طور دائمی تغییر مسیر می داد. در این سناریو، گرما همچنین به طور موقت از یخچال به یک شیء گرمتر جریان می یابد، به طوری که جسم سرد بیشتر خنک می شود. فیزیکدانان دانشگاه زوریخ یک وسیله شگفت آور ساده را ایجاد کرده اند که به طور موقت اجازه می دهد که حرارت از یک جسم سرد به یک جسم گرم بدون استفاده از منبع برق خارجی جریان یابد. این نوع "مدار نوسان کننده گرمایی" به طور مؤثر شامل یک "القاگر حرارتی" است. این مدار همانند یک مدار نوسان کننده الکتریکی عمل می کند که در آن ولتاژ با علامتی که به طور ثابت در حال تغییر است نوسان می کند.
 

تا کنون، تیم شیلینگ این مدارهای نوسان کننده گرمایی را با استفاده از یک منبع انرژی به کار انداخته بود. محققان در حال حاضر برای اولین بار نشان داده اند که این نوع مدار نوسان کننده گرمایی همچنین می تواند به طور غیرمستقیم کار کند، یعنی بدون استفاده از هیچ منبع تغذیه خارجی به کار انداخته شود. نوسانات گرمایی همچنان رخ می داد و بعد از مدتی حرارت به طور مستقیم از مس سردتر به یک حمام گرما با دمای 22 درجه سانتیگراد جاری می شد بدون این که به طور موقت به شکل دیگری از انرژی تبدیل شود. با وجود این، نویسندگان همچنین توانستند نشان دهند که این روند در واقع ناقض هیچ قانون فیزیکی‌ای از جمله قوانین اساسی ترمودینامیک نیست. برای اثبات این امر، آنها تغییر در انتروپی کل سیستم را در نظر گرفتند و نشان دادند که آنتروپی با گذشت زمان - به طور کامل در تطابق با قانون دوم ترمودینامیک - افزایش یافته است.
 

هر چند تیم اختلافی تنها در حدود 2 درجه سانتیگراد در مقایسه با دمای محیط را در آزمایش ثبت کرد، این امر عمدتا ناشی از  محدودیتهای عملکرد عناصر پلتیر تجاری مورد استفاده بود. در این سناریو، گرما همچنین به طور موقت از یخچال به یک شیء گرمتر جریان می یابد، به طوری که جسم سرد بیشتر خنک می شود. بر طبق نظر شیلینگ، از لحاظ نظری ممکن است در شرایط مشابه سرد شدگی‌ای تا 47- درجه سانتیگراد را به دست آورد، البته در صورتی که عنصر پلتیرِ "ایده آل" - که هنوز قرار است اختراع شود - می توانست مورد استفاده قرار گیرد: "با استفاده از این تکنولوژی بسیار ساده، مقدار زیادی مواد جامد، مایع یا گازهای داغ می توانند بدون صرف هیچ انرژی‌ای به خوبی تا زیر دمای اتاق خنک شوند."
 
مدار گرمایی منفعل نیز می تواند تا هر چند باری که مطلوب است مورد استفاده قرار گیرد، بدون این که نیازی به اتصال آن به منبع تغذیه وجود داشته باشد. با این حال، شیلینگ اذعان می کند که برای کاربردی وسیع در زمینه این تکنیک هنوز راه زیادی پیش رو داریم. یک دلیل آن این است که عناصر پلتیر در حال حاضر به اندازه کافی کارآمد نیستند. علاوه بر این، تنظیمات فعلی نیاز به استفاده از القاگرهای ابر رسانا برای به حداقل رساندن تلفات الکتریکی دارند.
 

فیزیکدان UZH این کار را چیزی مهم تر از یک مطالعه "اثبات اصل" صرف می داند: "در نگاه نخست، آزمایش ها به نظر می رسد  نوعی سحر و جادوی ترمودینامیکی باشند، که تا حدودی به چالش با مفاهیم مرسوم ما از جریان گرما بر خاسته اند."
 

منبع: مطالب ارائه شده توسط دانشگاه زوریخ