21 май 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Термодинамична магия позволява охлаждане без консумация на енергия

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 22 април 2019 в 10:0049030
Теоретично това експериментално устройство може да превърне кипящата вода в лед, без да използва енергия. Кредит: Andreas Schilling, UZH

Физици от Университета в Цюрих са разработили удивително просто устройство, което позволява на топлината да тече временно от студен към топъл обект без външно захранване. Интересно е, че процесът първоначално изглежда, че противоречи на основните физични закони.

Ако поставите чайник с вряща вода на кухненската маса, той постепенно ще се охлади. Не се очаква обаче неговата температура да спадне под тази на масата. Именно този ежедневен опит илюстрира един от основните закони на физиката - Вторият закон на термодинамиката - който гласи, че ентропията на затворена естествена система трябва да се увеличава с времето.

Или, по-просто казано: Топлината може да тече от само себе си от по-топъл към по-студен обект, а не обратното, обобщава Рhys.org.

Експериментът е описан в Science Advances.

Охлаждане под стайна температура

Резултатите от един скорошен експеримент, извършен от изследователската група на проф. Андреас Шилинг (Andreas Schilling) от катедрата по физика в Университета в Цюрих (UZH), изглежда на пръв поглед противоречат на Втория закон на термодинамиката. Изследователите успяха да охладят девет грама грам мед от над 100° C до значително по-ниска от стайната температура без външно захранване. "Теоретично, това експериментално устройство може да превърне кипящата вода в лед, без да използва енергия", отбелязва Шилинг.

Създаване на осцилиращи топлинни потоци

Термодинамична магия: Една проста техника позволява да се охладят горещи материали под температурата на околната среда без външна намеса, като на пръв поглед се противопоставят на законите на физиката. Кредит: A. Schilling

Какво представлява елементът на Пелтие

Изследователите постигат това с помощта на елемент на Пелтие.

Eлементът на Пелтие е термоелектрически преобразувател, чийто принцип на работа се основава на ефекта на Пелтие - появата на температурна разлика при протичане на електрическия ток. 

В основата на елементите на Пелтие е контактът на два полупроводникови материала с различни нива на енергията на електроните в зоната на проводимост. Когато токът тече през контактната зона на такива материали, електронът трябва да придобие енергия, за да премине към по-високата енергийна проводимост на другия полупроводник. При поглъщането на тази енергия става охлаждане на мястото на контакта на полупроводниците. При протичане на тока в обратна посока се нагрява контактната зона на полупроводниците допълнително към обичайния термичен ефект.

Ефектът на Пелтие е толкова малък, че е незабележим на фона на другите явления на топлопроводимостта.

Затова за практическо използване се свързват много двойки полупроводници с различни видове проводимост - обикновено 127 или повече термодвойки. Електрическият ток протича последователно през всички слоеве  полупроводници. В зависимост от посоката на тока, горните контакти се охлаждат, а долните се нагряват - или обратно. По този начин електрическият ток пренася топлината от едната страна на елемента на Пелтие и обратно, създавайки температурна разлика.

Елементът на Пелтие се продава в търговската мрежа и обикновено се използва например за охлаждане на минибаровете в хотелските стаи.

Законите на физиката остават непокътнати

Изследователите от UZH вече са използвали този тип елементи в предишни експерименти във връзка с електрически индуктор, за да създадат осцилиращ топлинен ток, при който топлинният поток между две тела постоянно променя посоката си. При този сценарий топлината също временно преминава от по-студен към по-топъл обект, така че по-студеният обект да се охлажда допълнително. Този вид "термична осцилираща верига" всъщност съдържа "термичен индуктор". Той функционира по същия начин като електрическа осцилираща верига, в която напрежението осцилира с постоянно променящ се знак.

Досега екипът на Шилинг е работел само с тези термични осцилиращи вериги, използвайки енергиен източник. За първи път изследователите показват, че този вид термична осцилираща верига може да се управлява и "пасивно", т.е. без външно захранване. Термичните колебания  настъпват отново и след известно време топлината тече директно от по-студената мед към по-топлата топлинна баня с температура 22 ° C, без да се трансформира временно в друга форма на енергия. Но авторите могат да покажат, че процесът не противоречи на законите на физиката. За да го докажат, те разглеждат промяната в ентропията на цялата система и показват, че тя нараства с времето - напълно в съответствие с Втория закон на термодинамиката.

Потенциалното приложение все още е далеч

Въпреки че екипът регистрира разлика от само около 2 ° C в сравнение с температурата на околната среда в експеримента, това се дължи главно на ограниченията на производителността на използвания търговски елемент Пелтие. Според Шилинг на теория би било възможно да се постигне охлаждане до -47 ° С при същите условия, ако се използва „идеален“ елемент на Пелтие, който предстои да бъде изобретен.

„С тази много проста технология могат да бъдат охладени големи количества горещи твърди, течни или газообразни материали до значително по-ниска от стайната температура без никаква консумация на енергия".

Термодинамична магия: Една проста техника позволява да се охладят горещи материали под температурата на околната среда без външна намеса, като на пръв поглед се противопоставят на законите на физиката. Кредит: A. Schilling

Пасивната термична верига може също така да се използва толкова често, колкото е необходимо, без да е необходимо да се свързва към захранване. Шилинг обаче признава, че мащабното прилагане на техниката все още е далеч. Една от причините за това е, че наличните понастоящем елементи на Пелтие не са достатъчно ефективни. Освен това, сегашната настройка изисква използването на свръхпроводящи индуктори, за да се сведат до минимум електрическите загуби.

Предизвикателството към установените представи

Шилинг разглежда работата като по-значима, отколкото просто изследване на принципа.

"На пръв поглед експериментите изглеждат като един вид термодинамична магия, като по този начин предизвикват до известна степен нашите традиционни възприятия за потока топлина", коментира физикът. "Този термичен индуктор разширява аналогията между електрическите и термичните вериги".


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.