A melegedés gyorsabb, mint a hűlés

Mikroszkopikus szinten a melegítés energia bevitel az egyes részecskékbe, ami fokozza a mozgásukat. A hűtés energia felszabadulással jár, ami tompítja a mozgásukat. De egy kérdés mindig megmaradt: A melegítés miért hatékonyabb, mint hűtés? Miért nincsen egy olyan eszköz, mint a mikrohullámú sütő a gyors hűtésre?A termális relaxáció jelensége mindig egy nagy kutatási téma volt a kutatócsoportban (ezek nehéz problémák a nem egyensúlyi fizikában). De a konkrét kérdéseket a melegítés és hűtés aszimmetriájáról kezdetben matematikai intuíció váltotta ki. Arra nem számítottak, hogy a válasz ilyen meglepő.

Folyamatok mikroszkopikus skálán

Mikroszkopikus szinten a melegítés és hűtés egy rendszeren belül az egyes részecskék közötti energia csere és energia átrendezés. Az utóbbi kutatás kontextusában a fókusz a termális relaxáción átmenő mikroszkopikus rendszerek dinamikájának megértésén van - hogy fejlődnek ezek a rendszerek, amikor hőmérséklet változásnak vannak kitéve.

Melegítésnél energiát viszünk be egy rendszer minden egyes részecskéjébe, ami a részecskék mozgásának erősödését okozza. Ettől élénkebben mozognak. Minél magasabb a hőmérséklet, a részecskék Brown-mozgása annál erősebb a környező vízmolekulákkal való fokozott ütközés következtében. A hűtésnél mikroszkopikus szinten az egyes részecskékből felszabadul az energia, ami mozgásuk tompulását okozza. Ez a folyamat megfelel a rendszer energia veszteségének, ami részecske mozgás intenzitásának csökkenéséhez vezet. A kutatók munkájuk során elemzik egy makroszkopikus rendszer evolúcióját miután a rendszer messze elsodródik az egyensúlytól. Egy makroszkopikus rendszer termalizációját nézik, azaz, hogy egy adott hőmérsékletű rendszer hogyan fejlődik annak a termális fürdőnek hőmérsékletére, amibe beleteszik és amivel így érintkezik.
Például kiveszünk egy forrásban lévő vízből (100 Celsius-fok) egy objektumot és belemerítjük egy víz és jég keverékébe (0 Celsius-fok). Összehasonlítják milyen gyorsan kerül egyensúlyba a rendszer fordított esetben, amikor az objektum először hideg fürdőben van és aztán forrásban lévő vízben melegítik. Azt figyelték meg, hogy mikroskálán a melegítés gyorsabb, mint a hűtés, és ezt teoretikusan termális kinematikával magyarázzák.

Optikai csipeszek és termális kinematika

A kutatók egy kifinomult kísérleti berendezést alkalmaztak, hogy megfigyeljék és kvantifikálják a termális relaxáción keresztülmenő mikroszkopikus rendszerek dinamikáját. Optikai csipeszeket használtak: ez egy erőteljes technika, ami lézerfény használatával fogja be a szilíciumból, vagy műanyagból készült egyes mikrorészecskéket.
Ezek a kis objektumok random módon mozognak a vízmolekulákkal való ütközések miatt - ez a Brown-mozgás -, miközben a csipeszek egy kis régióba zárják őket. Minél magasabb a vízhőmérséklet, annál intenzívebb lesz a Brown-mozgás a vízmolekulákkal való gyakoribb és erősebb ütközések miatt. Hogy termális változásokat indukáljanak, a kutatók a bezárt mikrorészecskéket különböző hőmérsékleteknek tették ki. Zajos elektromos jellel gondosan kontrollálták a körülvevő környezet hőmérsékletét, termális fürdőt szimulálva. A kísérleti eszköz lehetővé teszi, hogy rendkívüli pontossággal nyomon kövessék a részecskemozgást, így hozzáférve ezekhez a korábban felfedezetlen dinamikákhoz.
A kutatók a hőmérséklet kezelésével és az eredményezett mozgás megfigyelésével lényeges adatokat gyűjtöttek, hogy megértsék a melegítés és hűtés bonyolultságát mikroszkopikus szinten.

Aszimmetria és browni hőmotorok

A kutatók azt találták, hogy az aszimmetria túllép a konkrét hőmérsékletek közötti tartományokon, és igaz bármely két hőmérséklet közötti melegítésre és hűtésre.

Ha megértjük, hogy egy rendszer hogy termalizál különböző termál fürdőkkel, az optimizálja a teljesítmény generáló folyamatokat. A kiegyensúlyozási idő kulcsfontosságú paramáter az eszköz működési protokolljának precíz megtervezéséhez.Bár még nincs gyakorlati alkalmazása, a kutatók szerint hatékony lesz a mikromotorokban, mikroskálájú teherszállításban, és az önszervező vagy önjavító anyagoknál.

(Forrás: https://phys.org/)