Een wiskundige uit Leicester heeft een theorie ontwikkeld om 'verwarmen door afkoelen' te verklaren. waar de temperatuur van een korrelig gas stijgt terwijl de totale energie daalt - een eigenaardig fenomeen dat zowel op aarde als in de ruimte kan worden waargenomen.

Granulaire gassen zijn een van de weinige voorbeelden waar dit wetenschappelijke mysterie kan worden waargenomen. Deze systemen zijn wijdverbreid in de natuur in de vorm van aerosolen en rook op aarde, of in de vorm van interstellair stof, planeetringen en protoplanetaire schijven in de ruimte.

Het verbluffende 'heating by cooling'-effect komt overeen, in fysieke termen, tot een negatieve warmtecapaciteit. Aggregatie van korrelgassen is het tweede object ter wereld, na zwaartekrachtsystemen, die deze verbazingwekkende eigenschap manifesteert.

"Van de middelbare school hebben we geleerd dat temperatuur energie betekent - hoe hoger de temperatuur, hoe groter de energie. Als een systeem energie verliest, zijn temperatuur daalt, " zegt professor Nikolai Brilliantov van de afdeling Wiskunde van de Universiteit van Leicester, die het onderzoek leidde. "Verrassend genoeg, dit geldt niet altijd voor korrelgassen."

De internationale groep wetenschappers heeft een essentiële aanwijzing gegeven over hoe granulaire gassen werken en demonstreert deze mysterieuze kwaliteit in een paper gepubliceerd in het tijdschrift, Natuurcommunicatie , waar ze een solide wiskundige basis van het fenomeen hebben gebouwd.

Ze hebben een nieuw wiskundig hulpmiddel ontwikkeld:gegeneraliseerde Smoluchowski-vergelijkingen. Terwijl klassieke Smoluchowski-vergelijkingen, die al meer dan een eeuw bekend zijn, alleen de evolutie van de concentratie van agglomeraten behandelen, de nieuwe vergelijkingen beschrijven ook de evolutie van de temperatuur van de agglomeraten.

De directe microscopische modellering van het systeem, door uitgebreide computersimulaties, heeft het bestaan ​​van dit verrassende regime en andere voorspellingen van de theorie bevestigd.

Ook is aangetoond dat, ondanks zijn eigenaardigheid, 'verwarmen door koelen' kan voor veel systemen onder natuurlijke omstandigheden worden waargenomen. Echter, de krachten tussen de deeltjes moeten voldoen aan een belangrijke voorwaarde:de aantrekkingskracht moet toenemen met de grootte van de agglomeraten.

"Het begrijpen van verschillende regimes van de evolutie van aggregerende granulaire gassen is belangrijk om talrijke natuurlijke fenomenen te begrijpen waar deze systemen bij betrokken zijn, " voegt professor Brilliantov toe.