Ma thuật nhiệt động lực học cho phép làm lạnh mà không tiêu thụ năng lượng

Các nhà vật lí tại Đại học Zurich vừa phát triển một dụng cụ đơn giản đến bất ngờ cho phép nhiệt truyền tạm thời từ một vật lạnh sang một vật nóng mà không cần cấp năng lượng từ bên ngoài. Thật ngạc nhiên, quá trình ấy thoạt trông như mâu thuẫn với các định luật vật lí cơ bản.

Giả sử bạn đặt một ấm nước sôi lên bàn, nó sẽ từ từ nguội đi. Tuy nhiên, nhiệt độ của nó không giảm tới nhỏ hơn nhiệt độ của cái bàn. Chính trải nghiệm hằng ngày này minh họa cho một trong những định luật cơ bản của vật lí học – định luật thứ hai của nhiệt động lực học – nó nói rằng entropy của một hệ tự nhiên cô lập phải tăng theo thời gian. Hay, nói cho đơn giản hơn: Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ một vật nóng hơn sang một vật lạnh hơn.

Làm lạnh dưới nhiệt độ phòng

Các kết quả của một thí nghiệm mới đây được tiến hành bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư Andreas Schilling tại Khoa Vật lí ở Đại học Zurich (UZH) thoạt trông như thách thức định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Các nhà nghiên cứu làm lạnh một miếng đồng chín gam từ trên 100oC xuống dưới nhiệt độ phòng mà không cần cấp năng lượng từ bên ngoài. “Trên lí thuyết, dụng cụ thí nghiệm này có thể biến nước sôi thành nước đá, mà không sử dụng chút năng lượng nào,” Schilling nói.

Làm lạnh dưới nhiệt độ phòng

Một kĩ thuật đơn giản cho phép làm lạnh những vật liệu nóng xuống dưới nhiệt độ môi trường mà không cần can thiệp năng lượng từ bên ngoài.

Tạo ra các dòng nhiệt dao động

Để thu được kết quả này, các nhà nghiên cứu sử dụng một bộ Peltier, một bộ phận thường sử dụng, chẳng hạn, để làm lạnh các tủ lạnh nhỏ trong phòng khách sạn. Các bộ phận này có thể biến đổi dòng điện thành các chênh lệch nhiệt độ. Các nhà nghiên cứu từng sử dụng loại bộ phận này trong các thí nghiệm trước đây, nối với một cuộn cảm điện, để tạo ra một dòng nhiệt dao động trong đó dòng chảy nhiệt giữa hai vật không ngừng đảo chiều. Trong kịch bản này, nhiệt cũng tạm thời truyền từ một vật lạnh hơn sang một vật nóng hơn để vật lạnh hơn lạnh xuống thêm nữa. Kiểu “mạch dao động nhiệt” này nói chung có chứa một “bộ cảm nhiệt”. Nó hoạt động theo kiểu y hệt như mạch dao động điện, trong đó hiệu điện thế dao động với dấu liên tục thay đổi.

Các định luật vật lí vẫn không sứt mẻ gì

Cho đến nay, đội Schilling chỉ mới điều khiển các mạch dao động nhiệt này bằng một nguồn năng lượng. Nay các nhà nghiên cứu lần đầu tiên chỉ ra được rằng kiểu mạch dao động nhiệt này cũng có thể hoạt động “thụ động”, tức là không có nguồn cấp năng lượng bên ngoài. Các dao động nhiệt vẫn xảy ra và, trong khoảnh khắc, nhiệt truyền trực tiếp từ miếng đồng lạnh hơn sang bể nhiệt nóng hơn với nhiệt độ 22oC, mà không cần biến đổi tạm thời thành một dạng năng lượng nào khác. Dẫu vậy, các tác giả cũng có thể chỉ ra rằng quá trình ấy thật ra không hề mâu thuẫn với bất kì định luật vật lí nào. Để chứng minh, họ xét độ biến thiên entropy của toàn hệ và chỉ ra rằng nó tăng theo thời gian – hoàn toàn khớp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Ứng dụng tiềm năng hãy còn xa vời

Mặc dù đội nghiên cứu ghi được mức chênh lệch chỉ khoảng 2oC so với nhiệt độ môi trường trong thí nghiệm, nhưng đây chủ yếu là do các hạn chế của bộ Peltier thương mại được sử dụng. Theo Schilling, trên lí thuyết người ta có thể làm lạnh tới -47oC dưới các điều kiện giống vậy, nếu sử dụng bộ Peltier “lí tưởng” – cho đến nay vẫn chưa được phát minh!: “Với công nghệ rất đơn giản này, những lượng lớn vật liệu nóng ở dạng rắn, lỏng hoặc khí, có thể được làm nguội xuống dưới nhiệt độ phòng mà không cần tiêu thụ chút năng lượng nào.”

Làm lạnh dưới nhiệt độ phòng

Mạch dao động nhiệt

Người ta cũng có thể sử dụng mạch nhiệt thụ động lúc nào tùy thích, mà không cần kết nối nó với nguồn cấp năng lượng. Tuy nhiên, Schilling thừa nhận rằng một ứng dụng quy mô lớn của kĩ thuật này thì hãy còn xa vời lắm. Một lí do là vì các bộ Peltier bán trên thị trường hiện nay không đủ hiệu quả. Hơn nữa, bố trí dòng nhiệt đòi hỏi sử dụng các bộ cảm ứng siêu dẫn để giảm thiểu tổn thất điện.

Thách thức nhận thức

Theo Schilling, công trình trên không đơn thuần chỉ là một nghiên cứu “chứng minh nguyên tắc”: “Thoạt nhìn, các thí nghiệm trông như một kiểu ma thuật nhiệt động lực học, bởi nó thách thức mức nhận thức truyền thống của chúng ta về dòng nhiệt.”

Tham khảo: "Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a 'thermal inductor'" Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aat9953 , https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaat9953

Nguồn: PhysOrg.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Sai lệch 9 phần trăm
10/07/2019
Một sai lệch giữa các phép đo về hằng số Hubble khiến các nhà khoa học phát vấn liệu có điều gì đó không đúng trong hiểu
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 44)
10/07/2019
Chương 12 HÊ, NHÌN ĐI… NÓ BAY KÌA! Khí động lực học và những máy bay đầu tiên Không bao lâu sau khi những máy bay đầu tiên
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 43)
10/07/2019
SỰ THĂNG BẰNG CỦA VIÊN ĐẠN Như ta đã thấy ở phần trước, yếu tố chính làm thăng bằng một viên đạn là chuyển động
Rốt cuộc hydrogen kim loại đã được tạo ra hay chưa?
09/07/2019
Rất nhiều nhà vật lí trong các năm qua khẳng định rằng họ có thể biến hydrogen thành kim loại bằng cách nén nó cực mạnh,
Trái Đất tử ngoại nhìn từ một đài quan sát trên Mặt Trăng
09/07/2019
Hành tinh nào thế này? Trái Đất đấy. Bức ảnh màu giả này cho thấy Trái Đất trông như thế nào trong miền ánh sáng tử
Một trường hợp phản trực giác trong đó hai điện tích cùng dấu hút nhau
09/07/2019
Khi nói đến điện tích, luôn có một chân lí bất di bất dịch: điện tích trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Nhưng trong
Xác định lại các giới hạn của độ chuẩn xác đo lường
09/07/2019
Trong hàng thế kỉ, con người đã và đang mở rộng kiến thức của mình về thế giới thông qua việc đo lường ngày càng chính
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 44)
09/07/2019
Boron Là á kim duy nhất trong một nhóm nếu không đã gồm toàn kim loại, boron là nguyên tố đứng đầu nhưng không tiêu biểu lắm

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com