Các nhà vật lí tại Đại học Zurich vừa phát triển một dụng cụ đơn giản đến bất ngờ cho phép nhiệt truyền tạm thời từ một vật lạnh sang một vật nóng mà không cần cấp năng lượng từ bên ngoài. Thật ngạc nhiên, quá trình ấy thoạt trông như mâu thuẫn với các định luật vật lí cơ bản.
Giả sử bạn đặt một ấm nước sôi lên bàn, nó sẽ từ từ nguội đi. Tuy nhiên, nhiệt độ của nó không giảm tới nhỏ hơn nhiệt độ của cái bàn. Chính trải nghiệm hằng ngày này minh họa cho một trong những định luật cơ bản của vật lí học – định luật thứ hai của nhiệt động lực học – nó nói rằng entropy của một hệ tự nhiên cô lập phải tăng theo thời gian. Hay, nói cho đơn giản hơn: Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ một vật nóng hơn sang một vật lạnh hơn.
Làm lạnh dưới nhiệt độ phòng
Các kết quả của một thí nghiệm mới đây được tiến hành bởi nhóm nghiên cứu của giáo sư Andreas Schilling tại Khoa Vật lí ở Đại học Zurich (UZH) thoạt trông như thách thức định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Các nhà nghiên cứu làm lạnh một miếng đồng chín gam từ trên 100oC xuống dưới nhiệt độ phòng mà không cần cấp năng lượng từ bên ngoài. “Trên lí thuyết, dụng cụ thí nghiệm này có thể biến nước sôi thành nước đá, mà không sử dụng chút năng lượng nào,” Schilling nói.
Một kĩ thuật đơn giản cho phép làm lạnh những vật liệu nóng xuống dưới nhiệt độ môi trường mà không cần can thiệp năng lượng từ bên ngoài.
Tạo ra các dòng nhiệt dao động
Để thu được kết quả này, các nhà nghiên cứu sử dụng một bộ Peltier, một bộ phận thường sử dụng, chẳng hạn, để làm lạnh các tủ lạnh nhỏ trong phòng khách sạn. Các bộ phận này có thể biến đổi dòng điện thành các chênh lệch nhiệt độ. Các nhà nghiên cứu từng sử dụng loại bộ phận này trong các thí nghiệm trước đây, nối với một cuộn cảm điện, để tạo ra một dòng nhiệt dao động trong đó dòng chảy nhiệt giữa hai vật không ngừng đảo chiều. Trong kịch bản này, nhiệt cũng tạm thời truyền từ một vật lạnh hơn sang một vật nóng hơn để vật lạnh hơn lạnh xuống thêm nữa. Kiểu “mạch dao động nhiệt” này nói chung có chứa một “bộ cảm nhiệt”. Nó hoạt động theo kiểu y hệt như mạch dao động điện, trong đó hiệu điện thế dao động với dấu liên tục thay đổi.
Các định luật vật lí vẫn không sứt mẻ gì
Cho đến nay, đội Schilling chỉ mới điều khiển các mạch dao động nhiệt này bằng một nguồn năng lượng. Nay các nhà nghiên cứu lần đầu tiên chỉ ra được rằng kiểu mạch dao động nhiệt này cũng có thể hoạt động “thụ động”, tức là không có nguồn cấp năng lượng bên ngoài. Các dao động nhiệt vẫn xảy ra và, trong khoảnh khắc, nhiệt truyền trực tiếp từ miếng đồng lạnh hơn sang bể nhiệt nóng hơn với nhiệt độ 22oC, mà không cần biến đổi tạm thời thành một dạng năng lượng nào khác. Dẫu vậy, các tác giả cũng có thể chỉ ra rằng quá trình ấy thật ra không hề mâu thuẫn với bất kì định luật vật lí nào. Để chứng minh, họ xét độ biến thiên entropy của toàn hệ và chỉ ra rằng nó tăng theo thời gian – hoàn toàn khớp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học.
Ứng dụng tiềm năng hãy còn xa vời
Mặc dù đội nghiên cứu ghi được mức chênh lệch chỉ khoảng 2oC so với nhiệt độ môi trường trong thí nghiệm, nhưng đây chủ yếu là do các hạn chế của bộ Peltier thương mại được sử dụng. Theo Schilling, trên lí thuyết người ta có thể làm lạnh tới -47oC dưới các điều kiện giống vậy, nếu sử dụng bộ Peltier “lí tưởng” – cho đến nay vẫn chưa được phát minh!: “Với công nghệ rất đơn giản này, những lượng lớn vật liệu nóng ở dạng rắn, lỏng hoặc khí, có thể được làm nguội xuống dưới nhiệt độ phòng mà không cần tiêu thụ chút năng lượng nào.”
Mạch dao động nhiệt
Người ta cũng có thể sử dụng mạch nhiệt thụ động lúc nào tùy thích, mà không cần kết nối nó với nguồn cấp năng lượng. Tuy nhiên, Schilling thừa nhận rằng một ứng dụng quy mô lớn của kĩ thuật này thì hãy còn xa vời lắm. Một lí do là vì các bộ Peltier bán trên thị trường hiện nay không đủ hiệu quả. Hơn nữa, bố trí dòng nhiệt đòi hỏi sử dụng các bộ cảm ứng siêu dẫn để giảm thiểu tổn thất điện.
Thách thức nhận thức
Theo Schilling, công trình trên không đơn thuần chỉ là một nghiên cứu “chứng minh nguyên tắc”: “Thoạt nhìn, các thí nghiệm trông như một kiểu ma thuật nhiệt động lực học, bởi nó thách thức mức nhận thức truyền thống của chúng ta về dòng nhiệt.”
Tham khảo: "Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a 'thermal inductor'" Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aat9953 , https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaat9953
Nguồn: PhysOrg.com
