Effektivitetsasymmetri:Forskere rapporterer om grundlæggende asymmetri mellem opvarmning og afkøling

En ny undersøgelse ledet af videnskabsmænd fra Spanien og Tyskland har fundet en grundlæggende asymmetri, der viser, at opvarmning konsekvent er hurtigere end afkøling, udfordrer konventionelle forventninger og introducerer begrebet "termisk kinematik" for at forklare dette fænomen. Resultaterne er offentliggjort i Nature Physics .

Traditionelt er opvarmning og afkøling, fundamentale processer i termodynamikken, blevet opfattet som symmetriske og følger lignende veje.

På et mikroskopisk niveau involverer opvarmning at injicere energi i individuelle partikler, hvilket intensiverer deres bevægelse. På den anden side indebærer afkøling frigivelse af energi, der dæmper deres bevægelse. Et spørgsmål har dog altid stået tilbage:Hvorfor er opvarmning mere effektiv end køling?

For at besvare disse spørgsmål har forskere ledet af Associate Prof. Raúl A. Rica Alarcón fra Universidad de Granada i Spanien og Dr. Aljaz Godec fra Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences i Tyskland introduceret en ny ramme:termisk kinematik.

Når vi taler om deres motivation bag at udforske et så grundlæggende emne, fortalte prof. Alarcón til Phys.org:"Siden barndommen har jeg været fascineret af, hvorfor opvarmning er mere effektiv end køling. Og har spørgsmål som:'Hvorfor har vi ikke en enhed som en mikrobølgeovn til hurtig afkøling?'"

Dr. Godec tilføjede:"Termiske afslapningsfænomener har altid været et stort forskningsemne i gruppen (disse er svære problemer i ikke-ligevægtsfysik). Men specifikke spørgsmål om opvarmnings- og afkølingsasymmetrien blev oprindeligt fremkaldt af matematisk intuition. Det gjorde vi. ikke forvente, at svaret er så slående."

Processer i mikroskopiske skalaer

På det mikroskopiske niveau er opvarmning og afkøling processer, der involverer udveksling og omfordeling af energi mellem individuelle partikler i et system.

I forbindelse med den seneste forskning er fokus på at forstå dynamikken i mikroskopiske systemer, der gennemgår termisk afslapning – hvordan disse systemer udvikler sig, når de udsættes for temperaturændringer.

Ved opvarmning sprøjtes energi ind i hver partikel i et system, hvilket fører til en intensivering af partiklernes bevægelse. Dette får dem til at bevæge sig kraftigere. Jo højere temperatur, jo mere intens er den Brownske (eller tilfældige) bevægelse af disse partikler på grund af øgede kollisioner med omgivende vandmolekyler.

På den anden side involverer afkøling på mikroskopisk niveau frigivelse af energi fra individuelle partikler, hvilket resulterer i en dæmpning af deres bevægelse. Denne proces svarer til, at systemet mister energi, hvilket fører til et fald i intensiteten af ​​partikelbevægelse.

"Vores arbejde er helliget analysen af ​​udviklingen af ​​et mikroskopisk system, efter at det er drevet langt fra ligevægt. Vi overvejer termaliseringen af ​​et mikroskopisk system, dvs. hvordan et system ved en given temperatur udvikler sig til temperaturen i et termisk bad det er sat i kontakt med," forklarede Dr. Godec.

Prof. Alarcón. forklarede yderligere, "Et tydeligt eksempel ville være at tage en genstand fra et kogende vandbad (ved 100 grader Celsius) og nedsænke den i en blanding af vand og is (ved 0 grader Celsius)."

"Vi sammenligner, hvor hurtigt systemet ækvilibrerer med den omvendte protokol, når objektet til at begynde med er i det kolde bad og opvarmes i kogende vand. Vi observerer, at på mikroskala er opvarmning hurtigere end afkøling, og vi forklarer det teoretisk ved at udvikle en ny ramme kalder vi termisk kinematik."

Optisk pincet og termisk kinematik

Forskerne brugte et sofistikeret eksperimentelt setup til at observere og kvantificere dynamikken i mikroskopiske systemer, der gennemgår termisk afslapning. Kernen i deres eksperimenter var en optisk pincet – en kraftfuld teknik, der bruger laserlys til at fange enkelte mikropartikler lavet af silica eller plastik.

"Disse små objekter bevæger sig på en tilsyneladende tilfældig måde på grund af sammenstød med vandmolekyler, der udfører den såkaldte Brownske bevægelse, mens de er begrænset til et lille område af en pincet. Jo højere temperatur vandet er, jo mere intens er den Brownske bevægelse. vil skyldes hyppigere og mere intense kollisioner med vandmolekyler," forklarede prof. Alarcón.

For at fremkalde termiske ændringer udsatte forskerne de indesluttede mikropartikler for varierende temperaturer. De kontrollerede omhyggeligt temperaturen i det omgivende miljø ved hjælp af et støjende elektrisk signal, der simulerede et termisk bad.

"Vores eksperimentelle enhed giver os mulighed for at spore partiklens bevægelse med udsøgt præcision, hvilket giver adgang til denne tidligere uudforskede dynamik," sagde Dr. Godec.

Ved at manipulere temperaturen og observere de resulterende bevægelser, indsamlede holdet vigtige data for at forstå forviklingerne ved opvarmning og afkøling på mikroskalaniveau.

Udviklingen af ​​den teoretiske ramme (termisk kinematik) spillede en central rolle i forklaringen af ​​de observerede fænomener. Denne ramme kombinerede principper fra stokastisk termodynamik – en generalisering af klassisk termodynamik til individuelle stokastiske baner – med informationsgeometri.

"Ved at definere afstand og hastighed i rummet af sandsynlighedsfordelinger udførte vi matematiske beviser ved hjælp af metoder fra analyse for at vise, at effekten er generel," forklarede Dr. Godec.

Termisk kinematik gav et kvantitativt middel til at belyse den observerede asymmetri mellem opvarmnings- og afkølingsprocesser. Dette gjorde det muligt for forskerne ikke kun at validere teoretiske forudsigelser, men også at udforske dynamikken mellem to vilkårlige temperaturer, hvilket afslørede et konsekvent mønster af opvarmning, der er hurtigere end afkøling.

Asymmetri og Brownske varmemotorer

Prof. Alarcón og Dr. Godec opdagede en uventet asymmetri i opvarmnings- og afkølingsprocesserne. I første omgang med det formål at eksperimentelt verificere en foreslået teori af deres kolleger ved Max Planck Institute, fandt forskerne ud af, at asymmetrien strakte sig ud over specifikke temperaturområder, hvilket gælder for opvarmning og afkøling mellem to vilkårlige temperaturer.

Implikationerne af denne asymmetri omfatter Brownske varmemotorer - mikroskopiske maskiner designet til at generere nyttigt arbejde ud fra temperaturforskelle.

"Forståelse af, hvordan et system termaliserer med forskellige termiske bade, kan optimere strømproduktionsprocessen. Udligningstiden bliver en nøgleparameter for præcist at designe enhedens operationelle protokoller," forklarede prof. Alarcón.

Selvom der ikke umiddelbart findes praktiske anvendelser, forestiller forskerne sig øget effektivitet i mikromotorer, lasttransport i mikroskala og materialer, der kan samles selv eller repareres selv.

De bredere implikationer tyder på bidrag til udviklingen af ​​nye generelle teorier for dynamikken i Brownske systemer, der er drevet langt fra ligevægt.

"Vi forventer, at effekten ikke er begrænset til termiske forstyrrelser, slukninger i sammensætningen osv., og at den sandsynligvis vil vise analoge asymmetrier. På nuværende tidspunkt er det for tidligt at udtale sig om disse situationer, men vi tænker bestemt allerede over det. ," tilføjede Dr. Godec.

Prof. Alarcón konkluderede og sagde:"Vi sigter mod at udvide vores resultater til forskellige protokoller og systemer, ved at udføre eksperimenter, der involverer små grupper af interagerende partikler og systemer med brudt tids-reverseringssymmetri. Fremme teoretisk forståelse og matematisk kontrol af ikke-selv-adjoint stokastisk systemer er afgørende for denne retning. Vores igangværende strategi involverer samtidig udvikling af eksperimenter og teorier."

Flere oplysninger: M. Ibáñez et al., Opvarmning og afkøling er grundlæggende asymmetriske og udvikler sig langs forskellige veje, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z

Journaloplysninger: Naturfysik

© 2024 Science X Network