Физики из Швейцарии превратили кипяток в лед, не тратя на это энергии

Европейские ученые создали "магическую" установку, которая может превращать кипяток в лед или охлаждать горячие предметы, не тратя на то энергии и не нарушая второе начало термодинамики. Ее описание и возможное объяснение ее работы были опубликованы в журнале Science Advances.

"В теории, наше устройство может превратить кипяток в лед, не тратя на это никакой энергии. На первый взгляд, подобное "невозможное" поведение системы можно расценить как некую форму "термодинамической магии". Тем не менее, мы думаем, что наши эксперименты указывают на наличие серьезных пробелов в нашем понимании того, как движется тепло", — рассказывает Андреас Шиллинг (Andreas Schilling) из университета Цюриха (Швейцария).

Как хорошо знает любой школьник-старшеклассник, тепло может двигаться само по себе только в одном направлении, путешествуя из более горячих предметов в более холодные области пространства. Обратное возможно только в том случае, если на это тратится дополнительная энергия, как это происходит во всех холодильных установках.

Подобный "односторонний" характер движения тепла, как считают физики, связан с тем, что со временем неупорядоченность, хаотичность Вселенной, состояние, которое ученые называют энтропией, неуклонно растет. Этот принцип, который ученые называют вторым законом термодинамики, уже несколько веков считается одним из краеугольных камней физики.

В последние несколько лет исследователи начали замечать, что текущие интерпретации второго начала термодинамики далеко не всегда совпадают с результатами экспериментов. К примеру, три года назад российские ученые заметили, что оно может нарушаться на квантовом уровне, а их западные коллеги создали своеобразные тепловые "выпрямители", препятствующие его движению в определенном направлении при любой разнице температур между предметами.

Шиллинг и его коллеги открыли еще более экстремальный пример того, как можно "нарушить" этот закон, пытаясь проследить за тем, как много тепла проходит через так называемый элемент Пельтье. Он представляет собой "бутерброд" из двух кусочков разных полупроводников, контакт между которыми нагревается или охлаждается при пропускании тока в одну или другую сторону.

Швейцарские ученые наблюдали за тем, как тепло накапливается и покидает подобную структуру, подключив его к тепловому аналогу катушки индуктивности. Она представляет собой электрический прибор, способный запасать в себе энергию и отдавать ее при прекращении тока, чье сопротивление резко растет при увеличении частоты его колебаний.

Ее объединение с элементом Пельтье, в свою очередь, заставит тепло постоянно курсировать между ними, попеременно меняя направление движения в противоположную сторону, подобно тому, как возникают гармонические колебания в цепочке из конденсатора и катушки индуктивности.

Изначально, как отмечает Шиллинг, ученые экспериментировали с этой установкой, не нарушая правил термодинамики и пропуская ток через элемент Пельтье. Через некоторое время они решили проверить, что произойдет, если выключить его из сети.

К большому удивлению физиков, этот шаг не остановил тепловые осцилляции, а особым образом повлиял на то, как они участвовали в переносе энергии между теплыми и холодными сторонами этой установки. Как оказалось, при определенной конфигурации системы эти колебания начали более активно передавать тепло в одну сторону и мешать его движению в противоположную сторону.

Благодаря этому Шиллинг и его коллеги смогли охладить пластинку из меди, нагретую до 100 градусов Цельсия, до почти отрицательных температур, соединив ее с другим металлическим бруском. Нечто похожее, по словам физика, можно проделать с любыми другими материалами, в том числе и с кипящей водой, если повысить КПД работы элемента Пельтье в 2,5 раза.

Этот процесс, как подчеркивают ученые, не нарушает осевых принципов второго начала термодинамики. Падение температуры и движение тепла в "неправильном" направлении не снижает уровень энтропии в системе – она продолжает расти по мере охлаждения системы и угасания тепловых колебаний.

Иными словами, речь пока идет лишь об одной из интерпретаций этого закона, говорящей о невозможности "самостоятельного" движения тепла из холодных в горячие предметы. Как отмечают физики, о нарушении его принципов можно будет говорить только в том случае, если подобная установка сможет охладить медную пластинку или стакан с водой до температуры ниже, чем минус 47 градусов Цельсия.

Для этого, однако, потребуется "идеальный" элемент Пельтье, собранный из сверхпроводников или других экзотических материалов, который еще предстоит создать и проверить в деле, заключают ученые.