Vědci uvádějí zásadní asymetrii mezi vytápěním a chlazením

Nová studie vědců ze Španělska a Německa zjistila zásadní asymetrii, která ukazuje, že ohřev je trvale rychlejší než chlazení, což zpochybňuje konvenční očekávání a zavádí koncept „termokinetiky“ k vysvětlení tohoto jevu. Výsledky jsou zveřejněny v Fyzika přírody.

Zahřívání a chlazení, dva základní termodynamické procesy, byly tradičně považovány za identické, sledující podobné cesty.

Na mikroskopické úrovni zahřívání zahrnuje vstřikování energie do jednotlivých molekul a zintenzivnění jejich pohybu. Na druhé straně chlazení znamená uvolnění energie, což snižuje jeho pohyb. Vždy však zůstává jedna otázka: Proč je vytápění efektivnější než chlazení?

Aby na tyto otázky odpověděli vědci pod vedením docenta Raula A. Rica Alarcón z University of Granada ve Španělsku a Dr. Aljaz Godic z Institutu Maxe Plancka pro interdisciplinární vědy v Německu vytvořili nový rámec: termokinetiku.

Profesor Alarcón o jejich motivaci k prozkoumání tak zásadního tématu řekl Phys.org: „Od dětství mě fascinovalo, proč je vytápění účinnější než chlazení. Mám otázky jako: Proč nemáme zařízení jako mikrovlnná trouba pro rychlé zchlazení?“

Dr. Godek dodal: „Tepelná relaxace byla ve skupině vždy velkým výzkumným tématem (obtížné problémy v nerovnovážné fyzice). Matematická intuice však vyvolala specifické otázky ohledně asymetrie vytápění a chlazení. Neočekávali jsme, že odpověď bude ohromující. „Na tento limit.“

Operace na mikroskopických měřítcích

Na mikroskopické úrovni jsou ohřev a chlazení procesy, které zahrnují výměnu a redistribuci energie mezi jednotlivými molekulami v rámci systému.

V kontextu nedávného výzkumu je důraz kladen na pochopení dynamiky mikroskopických systémů, které podléhají tepelné relaxaci, a na to, jak se tyto systémy vyvíjejí, když jsou vystaveny změnám teploty.

Při procesu ohřevu je do každé částice systému vstřikována energie, což vede k zesílení pohybu částice. Díky tomu se pohybují energičtěji. Čím vyšší je teplota, tím větší je intenzita Brownova (neboli náhodného) pohybu těchto částic v důsledku zvýšených srážek s okolními molekulami vody.

Na druhé straně chlazení na mikroskopické úrovni zahrnuje uvolnění energie z jednotlivých molekul, což má za následek inhibici jejich pohybu. Tento proces odpovídá ztrátě energie systému, což vede ke snížení intenzity pohybu částic.

„Naše práce se věnuje analýze vývoje mikroskopického systému po jeho vytlačení z rovnováhy. Přemýšlíme o zahřívání mikroskopického systému, tedy o tom, jak se systém vyvíjí při určité teplotě na teplotu tepelné lázně.“ používá,“ vysvětlil doktor Godek.

Profesor Alarcón. Dále vysvětlil: „Jasným příkladem toho je vyjmutí předmětu z vroucí vodní lázně (při 100 °C) a jeho ponoření do směsi vody a ledu (při 0 °C).

„Porovnávali jsme, jak rychle se systém vyrovnává s inverzním protokolem, když je tělo zpočátku ve studené lázni a zahříváno ve vroucí vodě. Pozorovali jsme, že zahřívání v mikroskopickém měřítku je rychlejší než chlazení, a teoreticky to vysvětlujeme vývojem nový systémový rámec, kterému říkáme kinematika.“ „Tepelný.“

Optické pinzety a termokinetika

Vědci použili sofistikované experimentální nastavení k pozorování a měření dynamiky mikroskopických systémů procházejících tepelnou relaxací. Jádrem jejich experimentu byly optické pinzety, výkonná technologie, která využívá laserové světlo k zachycení jednotlivých drobných částic vyrobených z oxidu křemičitého nebo plastu.

„Tyto malé objekty se pohybují zdánlivě náhodným způsobem kvůli jejich srážce s molekulami vody. Provádějí to, čemu se říká Brownův pohyb a jsou omezeny na malou oblast pinzetou. Čím vyšší je teplota vody, tím větší je intenzita Brownova pohybu.“ pohyb.“ Profesor Alarcón vysvětlil, že by to bylo kvůli opakovaným a intenzivním srážkám s molekulami vody.

Aby došlo k tepelným změnám, vědci podrobili zachycené mikročástice různým teplotám. Pečlivě kontrolovali teplotu okolního prostředí pomocí hlučného elektrického signálu, simulujícího termální lázeň.

„Naše experimentální zařízení nám umožňuje sledovat pohyb částic s vynikající přesností a umožňuje přístup k této dříve neprozkoumané dynamice,“ řekl Dr. Godek.

Manipulací s teplotou a pozorováním výsledných pohybů tým shromáždil důležitá data pro pochopení složitosti zahřívání a chlazení na mikroskopické úrovni.

Stěžejní roli ve vysvětlení pozorovaných jevů sehrál rozvoj teoretického rámce (tepelné kinematiky). Tento rámec kombinuje principy stochastické termodynamiky – zobecnění klasické termodynamiky na jednotlivé náhodné cesty – s informační geometrií.

„Definováním vzdálenosti a rychlosti z hlediska rozdělení pravděpodobnosti jsme provedli matematické důkazy pomocí metod analýzy, abychom ukázali, že účinek je obecný,“ vysvětlil Dr. Godek.

Tepelná kinematika poskytla kvantitativní prostředek k vysvětlení pozorované asymetrie mezi procesy ohřevu a chlazení. To výzkumníkům umožnilo nejen potvrdit teoretické předpovědi, ale také prozkoumat dynamiku mezi jakýmikoli dvěma teplotami a odhalit konzistentní vzorec ohřevu, který je rychlejší než chlazení.

Asymetrie a Brownovy tepelné motory

Profesor Alarcón a Dr. Godec objevili nečekanou asymetrii v procesech ohřevu a chlazení. Za prvé, s cílem experimentálně ověřit teorii navrženou jejich kolegy z Institutu Maxe Plancka, vědci zjistili, že asymetrie přesahuje specifické teplotní rozsahy, což platí pro vytápění a chlazení mezi libovolnými dvěma teplotami.

Účinky této asymetrie se týkají Brownových tepelných motorů, mikroskopických strojů navržených tak, aby generovaly užitečnou práci z teplotních rozdílů.

„Pochopení toho, jak je systém zahříván pomocí různých termálních lázní, může zlepšit proces výroby energie. Doba ekvilibrace se stává klíčovým parametrem pro přesný návrh provozních protokolů zařízení,“ vysvětlil profesor Alarcón.

Ačkoli neexistují žádné okamžité praktické aplikace, vědci si představují zvýšenou účinnost u mikromotorů, nákladní dopravy v malém měřítku a materiálů, které se mohou sami sestavit nebo opravit.

Širší implikace naznačují příspěvky k rozvoji nových obecných teorií dynamiky vzdálených Brownových systémů.

„Očekáváme, že účinek není omezen na tepelné poruchy, zhášení ve struktuře atd., a pravděpodobně bude vykazovat podobné asymetrie. V této fázi je příliš brzy na vyjádření o těchto situacích, ale určitě o tom přemýšlíme.“ už,“ dodal doktor Godek.

Profesor Alarcón uzavřel: „Naším cílem je rozšířit naše poznatky na různé protokoly a systémy a provádět experimenty zahrnující malé soubory interagujících částic a systémů s porušenou časově-reverzní symetrií. Posílit teoretické porozumění a matematickou kontrolu náhodnosti, která není sama se sebou spojena. .“ Tento trend je nesmírně důležitý. Naše pokračující strategie zahrnuje simultánní vývoj experimentů a teorií.“

© 2024 Web of Science