Αντιστροφή της ροής θερμότητας λόγω περιστροφής

| 0 ΣΧΟΛΙΑ
Όταν περιστρέφεται αρκετά γρήγορα, ένα ψυχρό σώμα μπορεί να μεταφέρει θερμότητα σε ένα κοντινό θερμό σώμα [Control of the Radiative Heat Transfer in a Pair of Rotating Nanostructures].

Η θερμότητα ρέει αυθόρμητα από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα. Αυτό μας λέει ο πιο ισχυρός νόμος της φυσικής – ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος. Όμως μια γρήγορη περιστροφή θα μπορούσε να παραβιάσει αυτόν τον κανόνα.

Οι 4 ισοδύναμες διατυπώσεις του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής:
«Αρχή Kelvin: δεν είναι δυνατή κυκλική διεργασία συστήματος, με μοναδικό αποτέλεσμα την αφαίρεση θερμότητας από κάποιο σώμα και την μετατροπή της σε ισοδύναμο έργο».
«Αρχή Clausius: δεν είναι δυνατή κυκλική διεργασία με μοναδικό αποτέλεσμα τη μεταφορά θερμότητας από το ψυχρότερο στο θερμότερο σώμα».
«Θεώρημα Carnot: με κάθε σύστημα είναι συνυφασμένες δυο συναρτήσεις συντεταγμένων του, η S και η Τ, από τις οποίες η Τ είναι συνάρτηση της εμπειρικής θερμοκρασίας θ μόνο. Οι συναρτήσεις είναι τέτοιες, ώστε σε οποιαδήποτε απειροστή αντιστρεπτή διεργασία του συστήματος να ισχύει dq=TdS».
«Αρχή Καραθεοδωρή: Εις εκάστην γειτονίαν δεδομένης καταστάσεως συστήματος υπάρχουν καταστάσεις μη προσιταί εκ ταύτης δι’ αδιαβατικής διεργασίας αντιστρεπτής ή μη»


Οι Juan Deop-Ruano και ο Alejandro Manjavacas από το Ινστιτούτο Οπτικής (IO-CSIC) στην Ισπανία ανακάλυψαν ότι, αν δύο δίσκοι με διαστάσεις νανομέτρων τοποθετηθούν κοντά ο ένας στον άλλο και περιστραφούν με υψηλές συχνότητες, τότε η θερμότητα θα μπορούσε να ρέει από τον ψυχρό προς τον θερμό δίσκο. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι η ανακάλυψή τους θα είναι δύσκολο να αναπαραχθεί στο εργαστήριο —τουλάχιστον στο άμεσο μέλλον—αλλά ελπίζουν ότι το φαινόμενο αυτό θα εμπνεύσει νέες ιδέες όσον αφορά τον έλεγχο της θερμοκρασίας των αντικειμένων νανοκλίμακας.

Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν μελετήσει την μεταφορά ακτινοβολούμενης θερμότητας μεταξύ των νανοδομών. Όπως και πολλοί έχουν διερευνήσει τη λεγόμενη ροπή Casimir που δρα σε κοντινές νανοδομές που περιστρέφονται η μία ως προς την άλλη. Οι Deop-Ruano και Manjavacas είναι οι πρώτοι που ανέλυσαν και τα δύο αυτά αποτελέσματα.

Θεώρησαν δύο δίσκους – έναν θερμό και έναν ψυχρό – των οποίων τα μεγέθη και η μεταξύ τους απόσταση είναι πολύ μικρότερα από το μέσο μήκος κύματος της θερμικής τους ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, οι δίσκοι προσεγγίζονται ως απλά ηλεκτρικά δίπολα και η αλληλεπίδρασή τους είναι ένας συνδυασμός θερμικής ακτινοβολίας και επιδράσεων ροπής Casimir. Οι ερευνητές υπολόγισαν τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των δίσκων και διαπίστωσαν ότι ένας ψυχρός δίσκος που περιστρέφεται γρήγορα μπορεί να δώσει περισσότερη ενέργεια σε έναν θερμό δίσκο σε σχέση με αυτή που λαμβάνει. Σύμφωναν με τον Manjavacas, «η περιστροφή τροποποιεί την κατανομή ενέργειας της θερμικής ακτινοβολίας των δίσκων, κάνοντάς τους να συμπεριφέρονται σαν να έχουν διαφορετική θερμοκρασία».

Για να είναι παρατηρήσιμη αυτή η αντίστροφη ροή θερμότητας σε θερμοκρασίες περίπου 1 Κ, τα αντικείμενα πρέπει να περιστρέφονται με συχνότητα 100 GHz. Δεδομένου ότι πρόσφατα, οι πειραματιστές κατάφεραν να περιστρέψουν νανοδομές με συχνότητα λίγων GHz, οι Deop-Ruano και Manjavacas ελπίζουν ότι η τεχνολογική εξέλιξη θα μπορούσε να επιτρέψει τον μελλοντικό έλεγχο των προβλέψεών τους.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία
web design by