طور الفيزيائيون في جامعة زيورخ جهازًا بسيطًا ومدهشًا يسمح بتدفق الحرارة من البرد إلى جسم دافئ دون مصدر طاقة خارجي. ومن المثير للاهتمام ، أن العملية تتناقض مع القوانين الأساسية للفيزياء.
إذا وضعت إبريق شاي من الماء المغلي على طاولة المطبخ ، فسوف يبرد تدريجيا. ومع ذلك ، من غير المتوقع أن تنخفض درجة حرارته عن الجدول. هذا هو أحد القوانين الأساسية للفيزياء – القانون الثاني للديناميكا الحرارية – الذي ينص على أن إنتروبيا النظام الطبيعي المغلق يجب أن تزداد بمرور الوقت. أو ببساطة أكثر: يمكن للحرارة أن تتدفق من تلقاء نفسها فقط من جسم أكثر دفئًا إلى جسم أكثر برودة ، وليس العكس.
التبريد تحت درجة حرارة الغرفة
تظهر نتائج التجربة الحديثة التي أجرتها مجموعة أبحاث البروفيسور أندرياس شيلينغ في قسم الفيزياء بجامعة زيورخ (UZH) للوهلة الأولى للطعن في القانون الثاني للديناميكية الحرارية. تمكنت من أن تبرد حتى تسع غرام من النحاس من أكثر من 100 درجة مئوية إلى أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة دون مصدر طاقة خارجي. يقول شيلينغ: “من الناحية النظرية ، يمكن لهذا الجهاز التجريبي تحويل الماء المغلي إلى جليد ، دون استخدام أي طاقة”.
خلق التيارات الحرارة تتأرجح :
لتحقيق ذلك ، استخدم الباحثون عنصر بلتيير ، وهو مكون شائع الاستخدام ، على سبيل المثال ، لتبريد الميني بار في غرف الفنادق. هذه العناصر يمكن أن تحول التيارات الكهربائية إلى اختلافات في درجة الحرارة. وقد استخدم الباحثون بالفعل هذا النوع من العناصر في تجارب سابقة ، فيما يتعلق بالمحث الكهربائي ، لإنشاء تيار حرارة متذبذب يؤدي فيه تدفق الحرارة بين جسمين إلى تغيير الاتجاه دائمًا. في هذا السيناريو ، تتدفق الحرارة أيضًا مؤقتًا من برودة إلى كائن أكثر دفئًا حتى يتم تبريد الكائن الأكثر برودة. هذا النوع من “دائرة التذبذب الحراري” في الواقع يحتوي على “محث حراري“. إنه يعمل بنفس طريقة دارة التذبذب الكهربائي ، حيث يتأرجح الجهد مع إشارة متغيرة باستمرار.
قوانين الفيزياء لا تزال سليمة :
حتى الآن ، كان فريق شيلينغ يستخدم فقط هذه الدوائر المتذبذبة الحرارية باستخدام مصدر للطاقة. لقد أظهر الباحثون الآن لأول مرة أن هذا النوع من الدوائر التذبذبية الحرارية يتم تشغيله أيضًا “بشكل سلبي” ، أي مع عدم وجود امدادات الطاقة الخارجية. لا تزال التذبذبات الحرارية ، وبعد فترة من الوقت تتدفق الحرارة من النحاس البارد إلى حمام دافئ أكثر حرارة بدرجة حرارة 22 درجة مئوية ، دون أن تتحول مؤقتًا إلى شكل آخر من أشكال الطاقة. على الرغم من ذلك ، تمكن المؤلفون أيضًا من إثبات أن العملية لا تتعارض مع أي قوانين فيزيائية. لإثبات ذلك ، نظروا في التغير الذي حدث في إنتروبيا النظام بأكمله وأظهروا أنه زاد بمرور الوقت وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
التطبيق المحتمل لا يزال بعيدا :
على الرغم من أن الفريق سجل فرقًا يبلغ حوالي 2 درجة مئوية فقط مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة في التجربة ، إلا أن هذا يرجع بشكل رئيسي إلى قيود الأداء لعنصر بلتيير التجاري المستخدم. وفقًا لشيلينغ ، سيكون من الممكن تحقيق تبريد يصل إلى –47 درجة مئوية في نفس الظروف ، إذا كان عنصر بلتيير “المثالي” – الذي لم يتم اختراعه بعد – يمكن استخدامه: “مع هذه التقنية البسيطة جدًا ، يمكن تبريد كميات كبيرة من المواد الصلبة والسائلة أو الغازية الساخنة إلى درجة حرارة الغرفة أقل بكثير من أي استهلاك للطاقة. ”
يمكن أيضًا استخدام الدائرة الحرارية السلبية كلما كان ذلك مطلوبًا ، دون الحاجة إلى توصيلها بمصدر طاقة. ومع ذلك ، يعترف Schilling أن تطبيق واسع النطاق لهذه التقنية لا يزال بعيد المنال. أحد أسباب ذلك هو أن عناصر بلتيير المتاحة حاليًا ليست فعالة بدرجة كافية. علاوة على ذلك ، يتطلب الإعداد الحالي استخدام محاثات فائقة التوصيل لتقليل فقد الكهرباء.
تصورات راسخة تحدت
يرى فيزيائي UZH أن العمل أكثر أهمية من مجرد دراسة “إثبات للمبدأ”: “من النظرة الأولى ، يبدو أن التجارب كانت نوعًا من السحر الديناميكي الحراري ، مما يشكل تحديًا إلى حد ما تصوراتنا التقليدية حول تدفق الحرارة. “
