Нагряването и охлаждането са различни, но не противоположни

Конвенционалната термодинамика казва, че нагряването и охлаждането са по същество огледални изображения едно на друго, но експеримент с микроскопична силициева сфера показва друго

Ваня Милева Последна промяна на 30 януари 2024 в 00:00 5371 0

Конвенционалната термодинамика обяснява защо горещият чай изстива – но тези закони не разказват цялата история

Кредит Rawpixel

Конвенционалната термодинамика обяснява защо горещият чай изстива – но тези закони не разказват цялата история

Загряването на нещо винаги ще бъде по-бързо от охлаждането му в микроскопичен мащаб, според предложен нов принцип на термодинамиката. Двата процеса, дълго време смятани от физиците за две страни на една и съща монета, изглежда всъщност са фундаментално различни.

Макар повечето хора имат интуитивно разбиране за това какво е температура, физиците спорят за точна дефиниция от векове. В учебниците пише, че това е мярка за това, колко атоми се движат в една система. Но термодинамиката, изследването на връзката между топлината и другите форми на енергия, описва температурата като мярка за това колко различни подреждания на стойности, като скорост или енергия, могат да имат всички атоми в една система. Тези договорености се наричат ​​микросъстояния.

Въз основа на това разбиране, конвенционалната термодинамика казва, че нагряването и охлаждането са по същество огледални изображения едно на друго. Тази теория обаче предполага, че температурните промени се случват или бавно, или с малки стъпки.

Когато системите се нагряват или охлаждат през много големи интервали, физиката е по-неясна – и резултатите могат да бъдат контраинтуитивни. Например горещата вода замръзва по-бързо от студената вода, феномен, наречен ефект на Мпемба.

Сега Аляз Годец (Aljaz Godec) от Института за мултидисциплинарни науки Макс Планк в Гьотинген, Германия, и колегите му са открили, че микроскопична сфера от силициев диоксид, която бързо се нагрява или охлажда от електрическо поле, изглежда прави това по неравномерен начин, като се нагрява по-бързо отколкото охлажда.

"Това е много изненадващо", отбелязва Годец. "Знаем, че това е вярно, защото го показахме, но не мисля, че можем да твърдим, че разбираме защо това е така.“

Годек и неговият екип поставят микроскопичната сфера във вода и я държат на място с помощта на лазер. След това те прилагат електрическо поле, за да я нагреят или охладят, и измерват доколко частицата се колебае и движи. Те повтарят този процес десетки хиляди пъти.

Измерването на една частица по този начин е еквивалентно на измерване на едно микросъстояние. Това е невъзможно да се направи за материал, състоящ се от много частици, поради огромния брой възможни конфигурации, които те могат да приемат. Но като прави много измервания за една микроскопична частица, екипът успява да начертае възможния брой микросъстояния, които тя може да приеме.

След това изследователите измерват през колко различни микросъстояния ще трябва да премине частицата при преход между две температури чрез нагряване или охлаждане. Те откриват, че трябва да премине през по-малко възможни микросъстояния при нагряване, за разлика от охлаждането, което означава се нагрява по-бързо.

(a) Експериментална установка: Заредена микрочастица се улавя с помощта на лазерен лъч в параболичен капан. Контролът на температурата се постига чрез шумен електрически сигнал, симулиращ термална баня. (b) Кинематика на еволюцията: Кинематиката на еволюцията се анализира между две начални състояния — едното е по-горещо и другото е по-студено от междинното целево състояние, на еднакво разстояние от двете. Резултатите показват, че нагряването е по-бързо от охлаждането при този сценарий. (c) Температурна асиметрия: Първоначално наблюдаваната асиметрия се запазва, когато се фокусира върху две температури, сравнявайки процесите на охлаждане и нагряване между тях. Кредит: Prof. Raúl A. Rica Alarcón/Dr. Aljaz Godec

Въпреки че не е ясно защо трябва да има тази фундаментална разлика, тя трябва да присъства във всяка система, която се загрява или охлажда с достатъчно голямо количество, казва Годец, въпреки че обикновено би било трудно да се види. Това е така, защото такива големи температурни промени обикновено предизвикват явления в самата система, като замръзване или кипене, които прикриват този новонаблюдаван ефект. Въпреки това асиметрията може да бъде важна за подобряване на ефективността на микроскопични системи като малки топлинни двигатели, обяснява Годец.

"Това е наистина интересна работа", коментира Джанет Андерс (Janet Anders) от Университета на Ексетър, Великобритания. "Наистина е важно да помислим какво може да обясни това в природата".

Ефектът, който Годец и неговият екип са открили, може да се счита за допълнителен закон на термодинамиката, обяснява Андерс.

Той разширява втория закон на термодинамиката, който казва, че горещите неща винаги се охлаждат, освен ако не се направи нещо, за да се спре.

"Вторият закон не казва нищо за скоростта, а само за възможността", посочва Андерс. "Този ​​закон втори и половина, както го наричам, казва, че може да се правят всички тези неща, но за някои от тях ще е нужно много повече време от обратния процес."

Справка: Ibáñez, M., Dieball, C., Lasanta, A. et al. Heating and cooling are fundamentally asymmetric and evolve along distinct pathways. Nat. Phys. 20, 135–141 (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02269-z 

ИзточникHeating and cooling are fundamentally different, not opposites, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !