Natuurkundigen van de Universiteit van Zürich hebben een verbazingwekkend eenvoudig apparaat ontwikkeld waarmee warmte tijdelijk van een koud naar een warm object kan stromen zonder externe voeding. Intrigerend, het proces lijkt aanvankelijk in tegenspraak met de fundamentele wetten van de fysica.

Als je een theepot met kokend water op de keukentafel zet, het zal geleidelijk afkoelen. Echter, de temperatuur zal naar verwachting niet onder die van de tafel dalen. Het is precies deze alledaagse ervaring die een van de fundamentele wetten van de natuurkunde illustreert - de tweede wet van de thermodynamica - die stelt dat de entropie van een gesloten natuurlijk systeem in de loop van de tijd moet toenemen. Of, eenvoudiger gezegd:warmte kan alleen van een warmer naar een kouder object stromen, en niet andersom.

Koelen onder kamertemperatuur

De resultaten van een recent experiment uitgevoerd door de onderzoeksgroep van prof. Andreas Schilling van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Zürich (UZH) lijken op het eerste gezicht de tweede wet van de thermodynamica in twijfel te trekken. De onderzoekers slaagden erin om een ​​stuk koper van negen gram van meer dan 100°C af te koelen tot beduidend onder kamertemperatuur zonder externe voeding. "Theoretisch, dit experimentele apparaat kan kokend water in ijs veranderen, zonder energie te verbruiken, ', zegt Schilling.

Het creëren van oscillerende warmtestromen

Om dit te behalen, de onderzoekers gebruikten een Peltier-element, een veelgebruikt onderdeel, bijvoorbeeld, om minibars in hotelkamers te koelen. Deze elementen kunnen elektrische stromen omzetten in temperatuurverschillen. De onderzoekers gebruikten dit type element al in eerdere experimenten, in verband met een elektrische inductor, om een ​​oscillerende warmtestroom te creëren waarin de warmtestroom tussen twee lichamen voortdurend van richting verandert. In dit scenario, er stroomt ook tijdelijk warmte van een kouder naar een warmer object zodat het koudere object verder wordt afgekoeld. Dit soort "thermische oscillerende schakeling" bevat in feite een "thermische inductor". Het werkt op dezelfde manier als een elektrisch oscillerend circuit, waarin de spanning oscilleert met een constant veranderend teken.

Natuurkundige wetten blijven intact

Tot nu, Het team van Schilling had deze thermische oscillerende circuits alleen met een energiebron bediend. De onderzoekers hebben nu voor het eerst aangetoond dat dit soort thermische oscillerende schakelingen ook "passief" kunnen worden bediend, d.w.z. zonder externe voeding. Er traden nog steeds thermische oscillaties op en, na verloop van tijd, warmte stroomde direct van het koudere koper naar een warmer warmtebad met een temperatuur van 22°C, zonder tijdelijk te worden omgezet in een andere vorm van energie. Ondanks dit, de auteurs waren ook in staat om aan te tonen dat het proces niet in strijd is met enige natuurwetten. Om het te bewijzen, ze beschouwden de verandering in entropie van het hele systeem en toonden aan dat deze met de tijd toenam - volledig in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica.

Potentiële toepassing nog ver weg

Hoewel het team in het experiment een verschil van slechts ongeveer 2°C opmerkte in vergelijking met de omgevingstemperatuur, dit was voornamelijk te wijten aan de prestatiebeperkingen van het commerciële Peltier-element dat werd gebruikt. Volgens Schilling het zou in theorie mogelijk zijn om onder dezelfde omstandigheden koeling tot -47°C te bereiken, als het "ideale" Peltier-element - dat nog moet worden uitgevonden - zou kunnen worden gebruikt:"Met deze zeer eenvoudige technologie, grote hoeveelheden hete vaste stof, vloeibare of gasvormige materialen kunnen zonder energieverbruik tot ver onder kamertemperatuur worden gekoeld."

Het passieve thermische circuit kan ook zo vaak als gewenst worden gebruikt, zonder de noodzaak om het op een voeding aan te sluiten. Echter, Schilling geeft toe dat een grootschalige toepassing van de techniek nog ver weg is. Een reden hiervoor is dat de momenteel beschikbare Peltier-elementen niet efficiënt genoeg zijn. Verder, de huidige opstelling vereist het gebruik van supergeleidende inductoren om elektrische verliezen te minimaliseren.

Gevestigde percepties uitgedaagd

De UZH-fysicus beschouwt het werk als belangrijker dan een louter "proof-of-principle" -onderzoek:"Op het eerste gezicht, de experimenten lijken een soort thermodynamische magie te zijn, waardoor onze traditionele perceptie van de warmtestroom tot op zekere hoogte wordt uitgedaagd."