قام علماء الفيزياء بجامعة «Zurich» السويسرية بتطوير أداة بسيطة تسمح للحرارة بالتدفق بشكل مؤقت من جسم بارد إلى جسم دافئ بدون مصدر طاقة خارجي. ويبدو أن العملية مبدئيا تناقض القوانين الأساسية للفيزياء.
التجربة اليومية
إذا وضعت إبريقا من الماء المغلي على طاولة المطبخ، فإنه سيبرد بالتدريج، ولكن، ليس من المتوقع لدرجة حرارته أن تنخفض لتصبح أقل من درجة حرارة الطاولة. هذه التجربة اليومية توضح بالتفصيل أحد القوانين الأساسية للفيزياء– القانون الثاني للديناميكية الحرارية– و الذي ينص على أن القصور الحراري لنظام طبيعي مغلق يجب أن يزيد مع مرور الوقت، أو بشكل أكثر تبسيطا: بإمكان الحرارة أن تتدفق بنفسها من جسم أسخن إلى جسم أبرد، و ليس العكس.
التبريد لدرجة أقل
نتائج التجربة الحديثة التي أجراها مجموعة الباحثين التابعين للبروفيسور أندرياس شيلينج في قسم الفيزياء بجامعة «Zurich»، تبدو في الوهلة الأولى بأنها تتحدى القانون الثاني للديناميكية الحرارية، حيث تمكن الباحثون من تبريد قطعة من النحاس وزنها 9 جرامات من أكثر من 100 درجة حرارة مئوية إلى أقل من درجة حرارة الغرفة بدون أي مصدر طاقة خارجي. و أوضح شيلينج «نظريا، هذه الأداة التجريبية تستطيع تحويل الماء المغلي إلى ثلج، بدون استخدام أي طاقة».
التذبذب الحراري
من أجل تحقيق ذلك، استخدم الباحثون عنصر «بلتيير»، وهو عنصر يستخدم بشكل شائع، مثلا، لتبريد الثلاجات الصغيرة في غرف الفنادق.
و بإمكان هذه العناصر أن تحول التيارات الكهربائية إلى اختلافات في درجات الحرارة.
واستخدم الباحثون هذا النوع من العناصر في تجارب سابقة، في اتصال مع أداة حث كهربائية، من أجل إنشاء تيار حراري متذبذب والذي فيه يكون تدفق الحرارة بين الجسمين يتغير اتجاهه بشكل دائم.
و في هذا السيناريو، الحرارة كذلك تتدفق بشكل مؤقت من جسم أبرد إلى جسم أسخن بحيث يصبح الجسم الأبرد أكثر برودة. و يعد هذا النوع من «دائرة التذبذب الحراري» بتأثيرها تحتوي على «أداة حث حراري» و يعمل بنفس الطريقة مثل دائرة التذبذب الكهربائي، و الذي فيه يتذبذب الجهد مع علامة التغير المستمرة.
قوانين الفيزياء
لقد قام فريق شيلينج حتى الآن بتشغيل هذه الدوائر الحرارية المتذبذبة باستخدام مصدر للطاقة.
وأوضح الباحثون لأول مرة هذا النوع من الدائرة المتذبذبة الحرارية التي تستطيع أن تشتغل «بشكل سلبي»، أي بدون مصدر طاقة خارجي. والتذبذبات الحرارية لا تزال تحدث، و لفترة معينة، وتدفقت الحرارة بشكل مباشر من قطعة النحاس الأبرد إلى حوض حرارة أسخن بدرجة حرارة 22 درجة مئوية، بدون أن يتم نقلها بشكل مؤقت إلى شكل آخر من الطاقة، بالرغم من ذلك، إلا أن الباحثون تمكنوا كذلك من توضيح أن العملية لا تناقض بالفعل أي قانون من قوانين الفيزياء.
ومن أجل إثبات ذلك، فكروا بتغيير القصور الحراري للنظام بالكامل، ووضحوا بأنه زاد مع الوقت– بشكل متوافق تماما مع القانون الثاني للديناميكية الحرارية.
التطبيق المحتمل
بالرغم من أن الفريق سجل اختلافا قدره حوالي 2 درجة مئوية مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة في التجربة، إلا أن ذلك كان بسبب قصور الأداء لعنصر بلتيير التجاري المستخدم.
ووفقا لـ شيلينج، قد يكون من المحتمل نظريا تحقيق تبريد يصل إلى-47 درجة مؤية في ظل نفس الظروف، إذا تم استخدام عنصر بلتييز «المثالي».
والدائرة الحرارية السلبية بالإمكان كذلك أن تستخدم بقدر ما هو مرغوب، بدون الحاجة إلى الاتصال بمصدر للطاقة. ولكن، يعترف شيلينج بأن التطبيق على نطاق واسع لهذه الآلية لا يزال بعيدا جدا.
وأحد أسباب ذلك هو أن عناصر بلتيير المتوفرة حاليا ليست فعالة بالشكل الكافي. علاوة على ذلك، الإعدادات الحالية تتطلب استخدام محاثات فائقة التوصيل من أجل تقليل الخسائر الكهربائية.
القانون الصفري للديناميكا الحرارية:
«إذا كان نظام A مع نظام ثاني B في حالة توازن حراري، وتواجد B في توازن حراري مع نظام ثالث C، فيتواجد A و C أيضا في حالة توازن حراري»
القانون الأول للديناميكا الحرارية:
«الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر»
القانون الثاني للديناميكية الحرارية:
«القصور الحراري لنظام طبيعي مغلق يجب أن يزيد مع مرور الوقت»
القانون الثالث للديناميكية الحرارية:
«لا يمكن الوصول بدرجة الحرارة إلى الصفر المطلق»
التجربة اليومية
إذا وضعت إبريقا من الماء المغلي على طاولة المطبخ، فإنه سيبرد بالتدريج، ولكن، ليس من المتوقع لدرجة حرارته أن تنخفض لتصبح أقل من درجة حرارة الطاولة. هذه التجربة اليومية توضح بالتفصيل أحد القوانين الأساسية للفيزياء– القانون الثاني للديناميكية الحرارية– و الذي ينص على أن القصور الحراري لنظام طبيعي مغلق يجب أن يزيد مع مرور الوقت، أو بشكل أكثر تبسيطا: بإمكان الحرارة أن تتدفق بنفسها من جسم أسخن إلى جسم أبرد، و ليس العكس.
التبريد لدرجة أقل
نتائج التجربة الحديثة التي أجراها مجموعة الباحثين التابعين للبروفيسور أندرياس شيلينج في قسم الفيزياء بجامعة «Zurich»، تبدو في الوهلة الأولى بأنها تتحدى القانون الثاني للديناميكية الحرارية، حيث تمكن الباحثون من تبريد قطعة من النحاس وزنها 9 جرامات من أكثر من 100 درجة حرارة مئوية إلى أقل من درجة حرارة الغرفة بدون أي مصدر طاقة خارجي. و أوضح شيلينج «نظريا، هذه الأداة التجريبية تستطيع تحويل الماء المغلي إلى ثلج، بدون استخدام أي طاقة».
التذبذب الحراري
من أجل تحقيق ذلك، استخدم الباحثون عنصر «بلتيير»، وهو عنصر يستخدم بشكل شائع، مثلا، لتبريد الثلاجات الصغيرة في غرف الفنادق.
و بإمكان هذه العناصر أن تحول التيارات الكهربائية إلى اختلافات في درجات الحرارة.
واستخدم الباحثون هذا النوع من العناصر في تجارب سابقة، في اتصال مع أداة حث كهربائية، من أجل إنشاء تيار حراري متذبذب والذي فيه يكون تدفق الحرارة بين الجسمين يتغير اتجاهه بشكل دائم.
و في هذا السيناريو، الحرارة كذلك تتدفق بشكل مؤقت من جسم أبرد إلى جسم أسخن بحيث يصبح الجسم الأبرد أكثر برودة. و يعد هذا النوع من «دائرة التذبذب الحراري» بتأثيرها تحتوي على «أداة حث حراري» و يعمل بنفس الطريقة مثل دائرة التذبذب الكهربائي، و الذي فيه يتذبذب الجهد مع علامة التغير المستمرة.
قوانين الفيزياء
لقد قام فريق شيلينج حتى الآن بتشغيل هذه الدوائر الحرارية المتذبذبة باستخدام مصدر للطاقة.
وأوضح الباحثون لأول مرة هذا النوع من الدائرة المتذبذبة الحرارية التي تستطيع أن تشتغل «بشكل سلبي»، أي بدون مصدر طاقة خارجي. والتذبذبات الحرارية لا تزال تحدث، و لفترة معينة، وتدفقت الحرارة بشكل مباشر من قطعة النحاس الأبرد إلى حوض حرارة أسخن بدرجة حرارة 22 درجة مئوية، بدون أن يتم نقلها بشكل مؤقت إلى شكل آخر من الطاقة، بالرغم من ذلك، إلا أن الباحثون تمكنوا كذلك من توضيح أن العملية لا تناقض بالفعل أي قانون من قوانين الفيزياء.
ومن أجل إثبات ذلك، فكروا بتغيير القصور الحراري للنظام بالكامل، ووضحوا بأنه زاد مع الوقت– بشكل متوافق تماما مع القانون الثاني للديناميكية الحرارية.
التطبيق المحتمل
بالرغم من أن الفريق سجل اختلافا قدره حوالي 2 درجة مئوية مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة في التجربة، إلا أن ذلك كان بسبب قصور الأداء لعنصر بلتيير التجاري المستخدم.
ووفقا لـ شيلينج، قد يكون من المحتمل نظريا تحقيق تبريد يصل إلى-47 درجة مؤية في ظل نفس الظروف، إذا تم استخدام عنصر بلتييز «المثالي».
والدائرة الحرارية السلبية بالإمكان كذلك أن تستخدم بقدر ما هو مرغوب، بدون الحاجة إلى الاتصال بمصدر للطاقة. ولكن، يعترف شيلينج بأن التطبيق على نطاق واسع لهذه الآلية لا يزال بعيدا جدا.
وأحد أسباب ذلك هو أن عناصر بلتيير المتوفرة حاليا ليست فعالة بالشكل الكافي. علاوة على ذلك، الإعدادات الحالية تتطلب استخدام محاثات فائقة التوصيل من أجل تقليل الخسائر الكهربائية.
القانون الصفري للديناميكا الحرارية:
«إذا كان نظام A مع نظام ثاني B في حالة توازن حراري، وتواجد B في توازن حراري مع نظام ثالث C، فيتواجد A و C أيضا في حالة توازن حراري»
القانون الأول للديناميكا الحرارية:
«الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدم ولكن تتحول من شكل إلى آخر»
القانون الثاني للديناميكية الحرارية:
«القصور الحراري لنظام طبيعي مغلق يجب أن يزيد مع مرور الوقت»
القانون الثالث للديناميكية الحرارية:
«لا يمكن الوصول بدرجة الحرارة إلى الصفر المطلق»
