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制冷却不消耗能量!这是热力学的魔术?还是违反热力学定律?

信息来源:coldchina.com  时间:2019-07-06  浏览次数:180

苏黎世大学物理学家们发明了一种极其简单的装置,它可以让热量在没有外部热量的情况下从寒冷物体暂时流向温暖的物体。有趣的是,这个过程最初似乎与物理学的基本定律相矛盾。如果你把一壶开水放在厨房的桌子上,它会逐渐冷却下来。

然而,它的温度预计不会低于表的温度。正是这种日常经验阐明了物理学的一个基本定律(热力学第二定律),一个封闭自然系统的熵必须随着时间的推移而增加。或者,更简单地说:热本身只能从一个较热的物体流向一个较冷的物体,而不是反过来。

制冷却不消耗能量!这是热力学的魔术?还是违反热力学定律?

室温以下冷却

苏黎世大学物理系安德烈亚斯·席林教授研究小组进行的一项实验结果乍一看似乎挑战了热力学第二定律。研究人员在没有外部热量的情况下,成功地将一块9克重的铜从100℃以上冷却到明显低于室温。理论上,这个实验装置可以把沸水变成冰,而不需要任何能量。

制冷却不消耗能量!这是热力学的魔术?还是违反热力学定律?

  • 理论上,这个实验装置可以在不消耗任何能量的情况下将沸水变成冰。图片:Andreas Schilling, UZH

产生振荡的热电流

为了达到这个目的,研究人员使用了一种Peltier元素,一种常用的组件,例如,在酒店房间里冷却酒。这些元素能把电流转变成温差。研究人员在之前的实验中已经使用了这种类型的元件,与一个电感器相连接,来产生一种振荡的热电流,其中两个物体之间的热流动永远改变方向。在这种情况下,热量也会暂时从较冷的物体流向较热物体,从而使较冷的物体进一步冷却。这种“热振荡电路”实际上包含一个“热电感器”。工作原理与电振荡电路相同,其中电压以一个不断变化的符号振荡。

物理定律不变

到目前为止,团队只使用一种能源来操作这些热振荡电路。研究人员现在首次表明,这种热振荡电路也可以“被动”运行,即不需要外部热量。热振荡仍然存在,过了一段时间,热量直接从较冷的铜流向温度为22℃较热的热槽,而没有暂时转化为另一种形式的能量。尽管如此,作者也能够证明这个过程实际上并不违背任何物理定律。为了证明这一点,考虑了整个系统的熵变,并证明它随着时间的推移而增加,完全符合热力学第二定律。

潜在应用还有很长的路要走

虽然团队在实验中记录到的与环境温度差异仅为2℃左右,但这主要是由于所使用的商用Peltier元件性能限制。如果“理想”的Peltier元素(目前还没有被发明出来)能够被使用,那么在相同的条件下,理论上可以实现高达-47℃的冷却。有了这种非常简单的技术,大量热的固体、液体或气体材料可以被冷却到远低于室温的温度,而不需要任何能源消耗。

制冷却不消耗能量!这是热力学的魔术?还是违反热力学定律?

  • (同下图)热力学魔术:一种简单的技术可以使热材料在不受外界干扰情况下冷却到环境温度以下,这似乎违反了物理学定律。图片:A. Schilling

无源热电路也可以经常使用,不需要连接到电源。然而,大规模应用这项技术还有很长的路要走。原因之一是目前可用的Peltier元素不够高效。此外,电流设置要求使用超导电感器,以尽量减少电损耗。

建立认知的挑战

这位UZH物理学家认为这项工作比单纯的“原理证明”研究更有意义:乍一看,这些实验似乎是一种热力学魔术,因此在一定程度上挑战了我们对热流动的传统认知。

制冷却不消耗能量!这是热力学的魔术?还是违反热力学定律?

博科园-科学科普|研究/来自: 苏黎世大学

参考期刊文献:《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aat9953

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