Effizienzasymmetrie: Wissenschaftler berichten über fundamentale Asymmetrie zwischen Heizung und Kühlung.

17. Januar 2024 Feature

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Korrigiert von Tejasri Gururaj, Phys.org

Eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern aus Spanien und Deutschland hat eine grundlegende Asymmetrie entdeckt, wonach das Erhitzen konsequent schneller ist als das Abkühlen. Dies stellt konventionelle Erwartungen in Frage und führt das Konzept der 'thermischen Kinematik' ein, um dieses Phänomen zu erklären. Die Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht.

Traditionell wurden Erhitzen und Abkühlen als symmetrische Prozesse in der Thermodynamik angesehen, die ähnliche Wege verfolgen.

Auf mikroskopischer Ebene beinhaltet das Erhitzen das Einspritzen von Energie in einzelne Partikel, wodurch sich deren Bewegung verstärkt. Das Abkühlen hingegen beinhaltet die Freisetzung von Energie, wodurch ihre Bewegung gedämpft wird. Es bleibt jedoch eine Frage offen: Warum ist das Erhitzen effizienter als das Abkühlen?

Um diese Frage zu beantworten, haben Forscher unter der Leitung von Assoc. Prof. Raúl A. Rica Alarcón von der Universidad de Granada in Spanien und Dr. Aljaz Godec vom Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Wissenschaften in Deutschland einen neuen Rahmen geschaffen: die thermische Kinematik.

In Bezug auf ihre Motivation, ein solch grundlegendes Thema zu erforschen, sagte Prof. Alarcón zu Phys.org: "Seit meiner Kindheit habe ich mich gefragt, warum das Erhitzen effizienter ist als das Abkühlen. Und ich habe Fragen wie: Warum haben wir kein Gerät wie einen Mikrowellenofen zum schnellen Abkühlen?"

Dr. Godec fügte hinzu: "Thermische Relaxationsphänomene waren immer ein großes Forschungsthema in der Gruppe (dies sind schwierige Probleme in der Nicht-Gleichgewichtsphysik). Allerdings wurden spezifische Fragen zur Asymmetrie von Erhitzen und Abkühlen zunächst durch mathematische Intuition provoziert. Wir haben nicht erwartet, dass die Antwort so überraschend sein würde."

Auf mikroskopischer Ebene handelt es sich bei Erhitzen und Abkühlen um Prozesse, bei denen der Austausch und die Umverteilung von Energie zwischen einzelnen Partikeln innerhalb eines Systems erfolgt.

Im Zusammenhang mit der aktuellen Forschung liegt der Fokus auf dem Verständnis der Dynamik mikroskopischer Systeme, die einer thermischen Entspannung unterzogen werden - wie sich diese Systeme entwickeln, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt sind.

Beim Erhitzen wird Energie in jedes Partikel eines Systems eingespritzt, was zu einer Intensivierung der Bewegung der Partikel führt. Dies führt dazu, dass sie sich heftiger bewegen. Je höher die Temperatur, desto intensiver ist die Brownsche (oder zufällige) Bewegung dieser Partikel aufgrund der erhöhten Kollisionen mit umgebenden Wassermolekülen.

Das Abkühlen auf mikroskopischer Ebene hingegen beinhaltet die Freisetzung von Energie aus einzelnen Partikeln, was zu einer Dämpfung ihrer Bewegung führt. Dieser Prozess entspricht dem Verlust von Energie des Systems, was zu einer Abnahme der Intensität der Partikelbewegung führt.

Dr. Godec erklärte: "Unsere Arbeit widmet sich der Analyse der Entwicklung eines mikroskopischen Systems, nachdem es weit vom Gleichgewicht entfernt wurde. Wir betrachten die Thermalisierung eines mikroskopischen Systems, d.h. wie sich ein System bei einer vorgegebenen Temperatur zur Temperatur eines thermostatischen Bad verändert, mit dem es in Kontakt gebracht wird."

Prof. Alarcón erklärte weiter: "Ein deutliches Beispiel wäre das Herausnehmen eines Objekts aus einem kochenden Wasserbad (bei 100 Grad Celsius) und das Eintauchen in eine Mischung aus Wasser und Eis (bei 0 Grad Celsius)."

"Wir vergleichen, wie schnell das System mit dem umgekehrten Verfahren equilibriert, wenn das Objekt ursprünglich im kalten Bad ist und in kochendem Wasser erhitzt wird. Wir beobachten, dass das Erhitzen auf mikroskopischer Ebene schneller ist als das Abkühlen, und wir erklären dies theoretisch, indem wir einen neuen Rahmen entwickeln, den wir thermische Kinematik nennen."

Die Forscher verwendeten einen anspruchsvollen experimentellen Aufbau, um die Dynamik mikroskopischer Systeme während des thermischen Erschlaffen zu beobachten und zu quantifizieren. Im Mittelpunkt ihrer Experimente standen optische Pinzetten - eine leistungsstarke Technik, bei der Laserlicht verwendet wird, um einzelne Mikropartikel aus Silika oder Kunststoff einzufangen.

"Diese winzigen Objekte bewegen sich scheinbar zufällig aufgrund von Zusammenstößen mit Wassermolekülen und führen die sogenannte Brownsche Bewegung aus, während sie durch Pinzetten in einem kleinen Gebiet eingeschlossen sind. Je höher die Wassertemperatur, desto intensiver wird die Brownsche Bewegung aufgrund häufigerer und heftigerer Kollisionen mit Wassermolekülen", erklärte Prof. Alarcón.

Um thermische Veränderungen herbeizuführen, wurden die eingeschlossenen Mikropartikel unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt. Die Forscher kontrollierten sorgfältig die Temperatur der Umgebung mit einem rauschenden elektrischen Signal, das ein thermostatisches Bad simuliert.

"Unsere Versuchsanordnung ermöglicht es uns, die Bewegung des Partikels mit exquisiter Präzision zu verfolgen und gibt uns Zugang zu diesen zuvor unerforschten Dynamiken", sagte Dr. Godec.

By manipulating the temperature and observing the resulting movements, the team gathered crucial data to understand the intricacies of heating and cooling at the microscale level.

The development of the theoretical framework (thermal kinematics) played a pivotal role in explaining the observed phenomena. This framework combined principles from stochastic thermodynamics—a generalization of classical thermodynamics to individual stochastic trajectories—with information geometry.

'Defining distance and speed in the space of probability distributions, we conducted mathematical proofs using methods from analysis to show that the effect is general,' explained Dr. Godec.

Thermal kinematics provided a quantitative means to elucidate the observed asymmetry between heating and cooling processes. This allowed the researchers not only to validate theoretical predictions but also to explore the dynamics between any two temperatures, revealing a consistent pattern of heating being faster than cooling.

Prof. Alarcón and Dr. Godec discovered an unexpected asymmetry in the heating and cooling processes. Initially aiming to experimentally verify a proposed theory by their colleagues at the Max Planck Institute, the researchers found that the asymmetry extended beyond specific temperature ranges, holding true for heating and cooling between any two temperatures.

The implications of this asymmetry extend to Brownian heat engines—microscopic machines designed to generate useful work from temperature differences.

'Understanding how a system thermalizes with different thermal baths can optimize the power generation process. The equilibration time becomes a key parameter for precisely designing the device's operational protocols,' explained Prof. Alarcón.

While no immediate practical applications exist, the researchers envision enhanced efficiency in micromotors, microscale cargo transport, and materials that can self-assemble or self-repair.

The broader implications suggest contributions to the development of new general theories for the dynamics of Brownian systems driven far from equilibrium.

'We expect that the effect is not limited to thermal perturbations, quenches in composition, etc., and will likely display analogous asymmetries. At this point, it is too early to make statements about these situations, but we are certainly already thinking about it,' added Dr. Godec.

Prof. Alarcón concluded, saying, 'We aim to broaden our findings to various protocols and systems, conducting experiments involving small groups of interacting particles and systems with broken time-reversal symmetry. Advancing theoretical understanding and mathematical control of non-self-adjoint stochastic systems is crucial for this direction. Our ongoing strategy involves concurrent development of experiments and theories.'

Journal information: Nature Physics

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