以熱振盪電路冷卻的概念示意圖 / Credit: A. Schilling, A.C. Mangham

蘇黎世大學(University of Zurich)的物理學家開發了一種非常簡單的裝置,可以在沒有外部供應能量的情況下,使熱量暫時從冷的物體流到較暖的物體。有趣的是,這個過程似乎與物理學的基本定律相矛盾。熱力學第二定律表明,熱量在無造成其他影響的自然狀態下,只能從溫度高流向溫度低的物體。

既有元件創造出新的可能

蘇黎世大學物理系安德烈亞斯·席林教授(Andreas Schilling)的研究團隊進行一項實驗,在不提供外部電源的情況下,成功將一塊 9 克重的銅從 100℃ 以上冷卻到室溫以下。為實現此目標,研究人員使用致冷晶片(Peltier Element),這種熱電效應元件可以將電流轉換為溫差,常用來冷卻旅館房間的迷你冰箱。

研究人員已經在之前的實驗中將致冷晶片與電感器(electric inductor)串聯,以在兩個物體間產生不斷改變熱流動方向的振盪「熱流」(heat current)。在這種情況下,熱量也會暫時從較冷的物體流向較暖的物體,讓較冷的物體進一步冷卻。這種「熱振盪電路」如同作出一個「熱電感器」,它以與電振盪電路相同的方式運作,只是電振盪電路是電壓以不斷變化的方向振盪。

研究團隊原先只用電來操作這些熱振盪電路。現在研究人員首次表明,這種熱振盪電路也可以在沒有外部電源的情況下運行,一段時間後,熱量直接從較低溫的銅流向 22℃ 的周遭環境。

研究團隊表示這個過程實際上並不違反任何物理定律,因為整個系統的熵(entropy)會隨著時間的推移而增加,因此完全符合熱力學第二定律。

理想與現實的落差

因為商用致冷晶片的性能限制,實驗中僅讓銅塊冷卻至低於環境溫度約 2℃。根據席林教授的說法,理論上使用「理想的」致冷晶片,可以在相同條件下實現 -47℃ 的冷卻,當然這種晶片尚未發明。

席林教授表示:「理論上,這種實驗裝置可以不使用任何能量,就能將沸水冷卻成冰。透過這種非常簡單的技術,許多的固體、液體或氣體材料都可以冷卻到遠低於室溫,又不會消耗任何能量。」

無需供電的被動熱電路看似隨處都可應用,然而,席林教授承認,該技術的大規模應用還有很長的路要走。其中一個原因是目前可用的熱電效應元件效率不高。此外,實驗中的配置需要使用超導電感器,以盡量減少電力的損耗。

席林教授認為這項研究的重要性不僅是驗證原理,此實驗似乎是一種熱力學魔術,挑戰我們對熱流動的既定看法。

參考資料:

  1. University of Zurich. (2019, April 26). Thermodynamic Magic Enables Cooling without Energy Consumption. Retrieved May 3, 2019
  2. Schilling, A., Zhang, X., & Bossen, O. (2019). Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a “thermal inductor”. Science Advances,5(4). doi:10.1126/sciadv.aat9953
  3. 介紹原理的短片
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