Een nieuwe studie onder leiding van wetenschappers uit Spanje en Duitsland heeft een fundamentele asymmetrie gevonden die aantoont dat verwarming consistent sneller is dan koeling, wat de conventionele verwachtingen uitdaagt en het concept van "thermische kinematica" introduceert om dit fenomeen te verklaren. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Physics .

Traditioneel worden verwarming en koeling, fundamentele processen in de thermodynamica, gezien als symmetrisch en volgen ze vergelijkbare trajecten.

Op microscopisch niveau houdt verwarming in dat er energie in individuele deeltjes wordt geïnjecteerd, waardoor hun beweging wordt versterkt. Aan de andere kant brengt koeling het vrijkomen van energie met zich mee, waardoor hun beweging wordt gedempt. Eén vraag is echter altijd gebleven:waarom is verwarmen efficiënter dan koelen?

Om deze vragen te beantwoorden hebben onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Raúl A. Rica Alarcón van de Universidad de Granada in Spanje en dr. Aljaz Godec van het Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen in Duitsland een nieuw raamwerk geïntroduceerd:thermische kinematica.

Sprekend over hun motivatie achter het onderzoeken van een dergelijk fundamenteel onderwerp, zei prof. Alarcón tegen Phys.org:"Sinds mijn kindertijd ben ik geïntrigeerd door waarom verwarming efficiënter is dan koeling. En ik heb vragen als:'Waarom hebben we geen apparaat zoals een magnetron voor snelle afkoeling?'"

Dr. Godec voegde hieraan toe:"Thermische relaxatiefenomenen zijn altijd een belangrijk onderzoeksonderwerp in de groep geweest (dit zijn lastige problemen in de niet-evenwichtsfysica). Specifieke vragen over de asymmetrie van verwarming en koeling werden echter aanvankelijk uitgelokt door wiskundige intuïtie. Dat deden we ook. verwacht niet dat het antwoord zo treffend zal zijn."

Processen op microscopische schaal

Op microscopisch niveau zijn verwarming en koeling processen waarbij energie wordt uitgewisseld en herverdeeld tussen individuele deeltjes binnen een systeem.

In de context van het recente onderzoek ligt de nadruk op het begrijpen van de dynamiek van microscopische systemen die thermische relaxatie ondergaan – hoe deze systemen evolueren wanneer ze worden blootgesteld aan temperatuurveranderingen.

Bij verwarming wordt energie in elk deeltje van een systeem geïnjecteerd, wat leidt tot een intensivering van de beweging van de deeltjes. Hierdoor gaan ze krachtiger bewegen. Hoe hoger de temperatuur, hoe intenser de Brownse (of willekeurige) beweging van deze deeltjes als gevolg van toegenomen botsingen met omringende watermoleculen.

Aan de andere kant impliceert koeling op microscopisch niveau het vrijkomen van energie uit individuele deeltjes, wat resulteert in een demping van hun beweging. Dit proces komt overeen met het feit dat het systeem energie verliest, wat leidt tot een afname van de intensiteit van de deeltjesbeweging.

"Ons werk is gewijd aan de analyse van de evolutie van een microscopisch systeem nadat het ver uit evenwicht is geraakt. We beschouwen de thermalisatie van een microscopisch systeem, dat wil zeggen hoe een systeem bij een bepaalde temperatuur evolueert naar de temperatuur van een thermaal bad. waarmee in contact wordt gebracht", legt Dr. Godec uit.

Prof. Alarcón. verder uitgelegd:"Een duidelijk voorbeeld is het nemen van een voorwerp uit een kokend waterbad (op 100 graden Celsius) en het onderdompelen in een mengsel van water en ijs (op 0 graden Celsius)."

"We vergelijken hoe snel het systeem in evenwicht komt met het omgekeerde protocol wanneer het object zich aanvankelijk in het koude bad bevindt en wordt verwarmd in kokend water. We zien dat op microschaal verwarmen sneller gaat dan afkoelen, en we verklaren dit theoretisch door een nieuw systeem te ontwikkelen raamwerk dat we thermische kinematica noemen."

Optische pincetten en thermische kinematica

De onderzoekers gebruikten een geavanceerde experimentele opstelling om de dynamiek van microscopische systemen die thermische relaxatie ondergaan te observeren en te kwantificeren. De kern van hun experimenten was een optisch pincet:een krachtige techniek waarbij laserlicht wordt gebruikt om afzonderlijke microdeeltjes van silica of plastic op te vangen.

"Deze kleine objecten bewegen op een ogenschijnlijk willekeurige manier als gevolg van de botsingen met watermoleculen, waarbij ze de zogenaamde Brownse beweging uitvoeren terwijl ze door een pincet tot een klein gebied worden beperkt. Hoe hoger de temperatuur van het water, hoe intenser de Brownse beweging zal te wijten zijn aan frequentere en intensere botsingen met watermoleculen”, legt prof. Alarcón uit.

Om thermische veranderingen teweeg te brengen, onderwierpen de onderzoekers de opgesloten microdeeltjes aan variërende temperaturen. Ze controleerden zorgvuldig de temperatuur van de omgeving met behulp van een luidruchtig elektrisch signaal, waarmee ze een thermaal bad simuleerden.

"Ons experimentele apparaat stelt ons in staat de beweging van het deeltje met voortreffelijke precisie te volgen, waardoor toegang wordt verkregen tot deze voorheen onontdekte dynamiek", aldus Dr. Godec.

Door de temperatuur te manipuleren en de resulterende bewegingen te observeren, verzamelde het team cruciale gegevens om de fijne kneepjes van verwarming en koeling op microschaalniveau te begrijpen.

De ontwikkeling van het theoretisch raamwerk (thermische kinematica) speelde een cruciale rol bij het verklaren van de waargenomen verschijnselen. Dit raamwerk combineerde principes uit de stochastische thermodynamica – een generalisatie van de klassieke thermodynamica naar individuele stochastische trajecten – met informatiegeometrie.

"Door afstand en snelheid te definiëren in de ruimte van waarschijnlijkheidsverdelingen, hebben we wiskundige bewijzen uitgevoerd met behulp van analysemethoden om aan te tonen dat het effect algemeen is", legt Dr. Godec uit.

Thermische kinematica bood een kwantitatief middel om de waargenomen asymmetrie tussen verwarmings- en koelprocessen op te helderen. Hierdoor konden de onderzoekers niet alleen theoretische voorspellingen valideren, maar ook de dynamiek tussen twee willekeurige temperaturen onderzoeken, waarbij een consistent patroon werd onthuld waarin verwarming sneller verloopt dan koeling.

Asymmetrie en Brownse warmtemotoren

Prof. Alarcón en dr. Godec ontdekten een onverwachte asymmetrie in de verwarmings- en koelprocessen. Aanvankelijk probeerden de onderzoekers een voorgestelde theorie van hun collega's van het Max Planck Instituut experimenteel te verifiëren, maar ze ontdekten dat de asymmetrie zich uitstrekte tot voorbij specifieke temperatuurbereiken, wat gold voor verwarming en koeling tussen twee willekeurige temperaturen.

De implicaties van deze asymmetrie strekken zich uit tot Brownse warmtemotoren:microscopische machines die zijn ontworpen om nuttig werk te genereren uit temperatuurverschillen.

"Inzicht in hoe een systeem thermaliseert met verschillende thermale baden kan het energieopwekkingsproces optimaliseren. De evenwichtstijd wordt een belangrijke parameter voor het nauwkeurig ontwerpen van de operationele protocollen van het apparaat", legt prof. Alarcón uit.

Hoewel er geen directe praktische toepassingen bestaan, voorzien de onderzoekers een grotere efficiëntie in micromotoren, vrachtvervoer op microschaal en materialen die zichzelf kunnen assembleren of repareren.

De bredere implicaties suggereren bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe algemene theorieën over de dynamiek van Brownse systemen die ver uit evenwicht zijn geraakt.

"We verwachten dat het effect niet beperkt blijft tot thermische verstoringen, uitdovingen in de samenstelling, enz., en waarschijnlijk analoge asymmetrieën zal vertonen. Op dit moment is het te vroeg om uitspraken te doen over deze situaties, maar we denken er zeker al over na. ," voegde Dr. Godec toe.

Prof. Alarcón concludeerde en zei:"We streven ernaar onze bevindingen uit te breiden naar verschillende protocollen en systemen, door experimenten uit te voeren met kleine groepen van op elkaar inwerkende deeltjes en systemen met een gebroken tijd-omkeersymmetrie. Het bevorderen van theoretisch begrip en wiskundige controle van niet-zelf-geadjuncteerde stochastische systemen zijn cruciaal voor deze richting. Onze voortdurende strategie omvat de gelijktijdige ontwikkeling van experimenten en theorieën."

Meer informatie: M. Ibáñez et al., Verwarming en koeling zijn fundamenteel asymmetrisch en evolueren langs verschillende trajecten, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z

Journaalinformatie: Natuurfysica

© 2024 Science X Netwerk