製冷卻不消耗能量！這是熱力學的魔術？還是違反熱力學定律？

科技 04-20

蘇黎世大學物理學家們發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流向溫暖的物體。有趣的是，這個過程最初似乎與物理學的基本定律相矛盾。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，它的溫度預計不會低於表的溫度。正是這種日常經驗闡明了物理學的一個基本定律（熱力學第二定律），一個封閉自然系統的熵必須隨著時間的推移而增加。或者，更簡單地說：熱本身只能從一個較熱的物體流向一個較冷的物體，而不是反過來。

室溫以下冷卻

蘇黎世大學物理系安德烈亞斯·席林教授研究小組進行的一項實驗結果乍一看似乎挑戰了熱力學第二定律。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℃以上冷卻到明顯低於室溫。理論上，這個實驗裝置可以把沸水變成冰，而不需要任何能量。

理論上，這個實驗裝置可以在不消耗任何能量的情況下將沸水變成冰。圖片：Andreas Schilling, UZH

產生振蕩的熱電流

為了達到這個目的，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變成溫差。研究人員在之前的實驗中已經使用了這種類型的元件，與一個電感器相連接，來產生一種振蕩的熱電流，其中兩個物體之間的熱流動永遠改變方向。在這種情況下，熱量也會暫時從較冷的物體流向較熱物體，從而使較冷的物體進一步冷卻。這種「熱振蕩電路」實際上包含一個「熱電感器」。工作原理與電振蕩電路相同，其中電壓以一個不斷變化的符號振蕩。

物理定律不變

到目前為止，團隊只使用一種能源來操作這些熱振蕩電路。研究人員現在首次表明，這種熱振蕩電路也可以「被動」運行，即不需要外部熱量。熱振蕩仍然存在，過了一段時間，熱量直接從較冷的銅流向溫度為22℃較熱的熱槽，而沒有暫時轉化為另一種形式的能量。儘管如此，作者也能夠證明這個過程實際上並不違背任何物理定律。為了證明這一點，考慮了整個系統的熵變，並證明它隨著時間的推移而增加，完全符合熱力學第二定律。

潛在應用還有很長的路要走

雖然團隊在實驗中記錄到的與環境溫度差異僅為2℃左右，但這主要是由於所使用的商用Peltier元件性能限制。如果「理想」的Peltier元素（目前還沒有被發明出來）能夠被使用，那麼在相同的條件下，理論上可以實現高達-47℃的冷卻。有了這種非常簡單的技術，大量熱的固體、液體或氣體材料可以被冷卻到遠低於室溫的溫度，而不需要任何能源消耗。