Konvenční termodynamika tvrdí, že ohřívání a ochlazování jsou v podstatě navzájem opačné jevy. Nejnovější experiment s malou kuličkou z oxidu křemičitého však naznačuje něco úplně jiného. Podrobnosti přináší magazín New Scientist.
Podle nového principu termodynamiky je zahřívání v mikroskopickém měřítku vždy rychlejší než ochlazování. Oba procesy, které fyzikové dlouho považovali za dvě strany jedné mince, se ve světle nejnovějšího bádání zdají být zásadně odlišné.
Ohřev a chlazení nejsou protiklady
Zatímco většina lidí má intuitivní představu o tom, co je teplota, fyzici se o přesnou definici přou již celá staletí. Školní učebnice říkají, že jde o to, jak moc se atomy v systému pohybují. Termodynamika, která se zabývá vztahem mezi teplem a jinými formami energie, však popisuje teplotu jako míru toho, kolik různých uspořádání hodnot – například rychlosti nebo energie – mohou mít všechny atomy v systému. Tato uspořádání se nazývají mikrostavy.
Na základě těchto poznatků konvenční termodynamika tvrdí, že ohřev a chlazení jsou v podstatě zrcadlovými obrazy téhož procesu. Tato teorie však předpokládá, že změny teploty probíhají buď pomalu, nebo v malých intervalech.
Když se systémy zahřívají nebo ochlazují ve velmi dlouhých intervalech, je fyzika hůře pochopitelná – a výsledky mohou být značně neintuitivní. Například horká voda mrzne rychleji než studená – jedná se o paradox označovaný jako Mpembův jev.
Pravdu ukázala kulička oxidu křemičitého
Aljaz Godec z Institutu Maxe Plancka pro multidisciplinární vědy v německém Göttingenu a jeho kolegové zjistili, že mikroskopická kulička oxidu křemičitého, která je rychle zahřívána nebo ochlazována elektrickým polem, se zahřívá rychleji než se ochlazuje. „To je velmi překvapivé,“ říká Godec. „Zatím víme, že to tak je, protože jsme to prokázali, ale myslím, že nemůžeme tvrdit, že rozumíme tomu, proč tomu tak je.“
Vědci umístili malou kuličku do vody a zachytili ji na místě pomocí laseru. Poté ji zahřívali nebo ochlazovali elektrickým polem a měřili, jak moc se částice třese a pohybuje. Tento proces opakovali desettisíckrát. Měření jediné částice tímto způsobem odpovídá měření jediného mikrostavu.
U materiálu složeného z mnoha částic je to nemožné, protože mohou nabývat obrovského množství možných uspořádání. Ale díky mnoha měřením jediné mikroskopické částice byl vědecký tým schopen zmapovat možný počet mikrostavů, které může nabývat.
Vědci pak měřili, kolika různými mikrostavy musí částice projít při přechodu mezi dvěma teplotami vlivem zahřívání nebo ochlazování. Zjistili, že při zahřívání musí projít menším počtem možných mikrostavů než při ochlazování, což se projevilo vyšší rychlostí zahřívání.
Zatím není zřejmé proč
„Ačkoli není zřejmé, proč by měl existovat tento zásadní rozdíl, měl by být přítomen v každém systému, který se zahřívá nebo ochlazuje,“ říká Godec, s tím, že by to obvykle bylo obtížné pozorovat. Důvodem je skutečnost, že tak velké změny teploty obvykle vyvolávají v samotném systému jevy, jako je mrznutí nebo var, které tento nově objevený efekt zastírají.
„Je to opravdu zajímavá práce,“ říká Janet Anders z Exeterské univerzity ve Velké Británii. „Je důležité přemýšlet o tom, co všechno by to mohlo vysvětlit v přírodě.“ Výsledky vědeckého bádání byly publikovány 3. ledna 2024 v odborném časopise Nature Physics.
„Efekt, který Godec a jeho tým objevili, by se dal považovat za dodatečný zákon termodynamiky,“ říká Anders. Rozšiřuje druhý termodynamický zákon, který říká, že se horké věci vždy ochladí, pokud jim v tom nějakým způsobem nezabráníme.
„Druhý zákon neříká nic o rychlosti, ale o možnosti,“ upřesňuje Andres. „Tento druhý a půltý zákon, jak mu říkám, tvrdí, že můžete provádět tyto věci, ale některé z nich budou trvat mnohem déle než opačné procesy.“