蘇黎世大學(xué)物理學(xué)家們發(fā)明了一種極其簡單的裝置，它可以讓熱量在沒有外部熱量的情況下從寒冷物體暫時(shí)流向溫暖的物體。有趣的是，這個(gè)過程最初似乎與物理學(xué)的基本定律相矛盾。如果你把一壺開水放在廚房的桌子上，它會逐漸冷卻下來。

然而，它的溫度預(yù)計(jì)不會低于表的溫度。正是這種日常經(jīng)驗(yàn)闡明了物理學(xué)的一個(gè)基本定律（熱力學(xué)第二定律），一個(gè)封閉自然系統(tǒng)的熵必須隨著時(shí)間的推移而增加?；蛘?，更簡單地說：熱本身只能從一個(gè)較熱的物體流向一個(gè)較冷的物體，而不是反過來。

室溫以下冷卻

蘇黎世大學(xué)物理系安德烈亞斯·席林教授研究小組進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果乍一看似乎挑戰(zhàn)了熱力學(xué)第二定律。研究人員在沒有外部熱量的情況下，成功地將一塊9克重的銅從100℃以上冷卻到明顯低于室溫。理論上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置可以把沸水變成冰，而不需要任何能量。

產(chǎn)生振蕩的熱電流

為了達(dá)到這個(gè)目的，研究人員使用了一種Peltier元素，一種常用的組件，例如，在酒店房間里冷卻酒。這些元素能把電流轉(zhuǎn)變成溫差。研究人員在之前的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)使用了這種類型的元件，與一個(gè)電感器相連接，來產(chǎn)生一種振蕩的熱電流，其中兩個(gè)物體之間的熱流動永遠(yuǎn)改變方向。在這種情況下，熱量也會暫時(shí)從較冷的物體流向較熱物體，從而使較冷的物體進(jìn)一步冷卻。這種“熱振蕩電路”實(shí)際上包含一個(gè)“熱電感器”。工作原理與電振蕩電路相同，其中電壓以一個(gè)不斷變化的符號振蕩。

物理定律不變

到目前為止，團(tuán)隊(duì)只使用一種能源來操作這些熱振蕩電路。研究人員現(xiàn)在首次表明，這種熱振蕩電路也可以“被動”運(yùn)行，即不需要外部熱量。熱振蕩仍然存在，過了一段時(shí)間，熱量直接從較冷的銅流向溫度為22℃較熱的熱槽，而沒有暫時(shí)轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量。盡管如此，作者也能夠證明這個(gè)過程實(shí)際上并不違背任何物理定律。為了證明這一點(diǎn)，考慮了整個(gè)系統(tǒng)的熵變，并證明它隨著時(shí)間的推移而增加，完全符合熱力學(xué)第二定律。

潛在應(yīng)用還有很長的路要走

雖然團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中記錄到的與環(huán)境溫度差異僅為2℃左右，但這主要是由于所使用的商用Peltier元件性能限制。如果“理想”的Peltier元素（目前還沒有被發(fā)明出來）能夠被使用，那么在相同的條件下，理論上可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)-47℃的冷卻。有了這種非常簡單的技術(shù)，大量熱的固體、液體或氣體材料可以被冷卻到遠(yuǎn)低于室溫的溫度，而不需要任何能源消耗。

無源熱電路也可以經(jīng)常使用，不需要連接到電源。然而，大規(guī)模應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)還有很長的路要走。原因之一是目前可用的Peltier元素不夠高效。此外，電流設(shè)置要求使用超導(dǎo)電感器，以盡量減少電損耗。

建立認(rèn)知的挑戰(zhàn)

這位UZH物理學(xué)家認(rèn)為這項(xiàng)工作比單純的“原理證明”研究更有意義：乍一看，這些實(shí)驗(yàn)似乎是一種熱力學(xué)魔術(shù)，因此在一定程度上挑戰(zhàn)了我們對熱流動的傳統(tǒng)認(rèn)知。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 蘇黎世大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aat9953

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