Efficacité asymétrique: Les scientifiques signalent une asymétrie fondamentale entre le chauffage et le refroidissement.

17 janvier 2024 fonctionnalité

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par Tejasri Gururaj, Phys.org

Une nouvelle étude menée par des scientifiques espagnols et allemands a découvert une asymétrie fondamentale montrant que le chauffage est systématiquement plus rapide que le refroidissement, remettant en question les attentes conventionnelles et introduisant le concept de "cinématique thermique" pour expliquer ce phénomène. Les résultats sont publiés dans Nature Physics.

Traditionnellement, le chauffage et le refroidissement, des processus fondamentaux en thermodynamique, ont été perçus comme symétriques, suivant des voies similaires.

À un niveau microscopique, le chauffage consiste à injecter de l'énergie dans des particules individuelles, intensifiant leur mouvement. En revanche, le refroidissement implique la libération d'énergie, réduisant leur mouvement. Cependant, une question est toujours restée en suspens : pourquoi le chauffage est-il plus efficace que le refroidissement ?

Pour répondre à ces questions, des chercheurs dirigés par le professeur associé Raúl A. Rica Alarcón de l'Universidad de Granada en Espagne et le Dr Aljaz Godec de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires en Allemagne ont introduit un nouveau cadre : la cinématique thermique.

En parlant de leur motivation à explorer un tel sujet fondamental, le professeur Alarcón a déclaré à Phys.org : "Depuis mon enfance, je suis intrigué par pourquoi le chauffage est plus efficace que le refroidissement. Et j'ai des questions du genre : "Pourquoi n'avons-nous pas un appareil comme un four à micro-ondes pour le refroidissement rapide ?""

Le Dr Godec a ajouté : "Les phénomènes de relaxation thermique ont toujours été un grand sujet de recherche dans le groupe (ce sont des problèmes difficiles en physique hors équilibre). Cependant, des questions spécifiques sur l'asymétrie du chauffage et du refroidissement ont été initialement provoquées par une intuition mathématique. Nous ne nous attendions pas à une réponse si frappante."

À l'échelle microscopique, le chauffage et le refroidissement sont des processus impliquant l'échange et la redistribution de l'énergie entre les particules individuelles d'un système.

Dans le contexte de la recherche récente, l'accent est mis sur la compréhension de la dynamique des systèmes microscopiques subissant une relaxation thermique - comment ces systèmes évoluent lorsqu'ils sont soumis à des variations de température.

En chauffant, de l'énergie est injectée dans chaque particule d'un système, ce qui intensifie le mouvement des particules. Cela les amène à se déplacer plus vigoureusement. Plus la température est élevée, plus le mouvement brownien (ou aléatoire) de ces particules est intense en raison des collisions accrues avec les molécules d'eau environnantes.

En revanche, le refroidissement à l'échelle microscopique implique la libération d'énergie des particules individuelles, ce qui entraîne un amortissement de leur mouvement. Ce processus correspond à une perte d'énergie du système, entraînant une diminution de l'intensité du mouvement des particules.

"Notre travail est consacré à l'analyse de l'évolution d'un système microscopique après qu'il a été amené loin de l'équilibre. Nous envisageons la thermalisation d'un système microscopique, c'est-à-dire comment un système à une certaine température évolue jusqu'à la température d'un bain thermique avec lequel il est mis en contact", explique le Dr Godec.

Le professeur Alarcón. explique en outre : "Un exemple clair consisterait à prendre un objet d'un bain d'eau bouillante (à 100 degrés Celsius) et à le plonger dans un mélange d'eau et de glace (à 0 degré Celsius)".

"Nous comparons la rapidité avec laquelle le système s'équilibre avec le protocole inverse lorsque l'objet est initialement dans le bain froid et chauffé dans l'eau bouillante. Nous observons qu'à l'échelle microscopique, le chauffage est plus rapide que le refroidissement, et nous expliquons cela théoriquement en développant un nouveau cadre que nous appelons la cinématique thermique".

Les chercheurs ont utilisé une installation expérimentale sophistiquée pour observer et quantifier la dynamique des systèmes microscopiques subissant une relaxation thermique. Au cœur de leur expérimentation se trouvaient des pincettes optiques - une technique puissante utilisant la lumière laser pour capturer de simples microparticules composées de silice ou de plastique.

"Ces petits objets se déplacent de manière apparemment aléatoire en raison des collisions avec les molécules d'eau, exécutant le mouvement brownien appelé ainsi lorsqu'ils sont confinés dans une petite région par des pincettes. Plus la température de l'eau est élevée, plus le mouvement brownien sera intense en raison de collisions plus fréquentes et plus intenses avec les molécules d'eau", explique le professeur Alarcón.

Pour induire des changements thermiques, les chercheurs ont soumis les microparticules confinées à des températures variables. Ils ont soigneusement contrôlé la température de l'environnement environnant à l'aide d'un signal électrique bruyant, simulant un bain thermique.

"Notre dispositif expérimental nous permet de suivre avec une précision exquise le mouvement de la particule, donnant accès à ces dynamiques auparavant inexplorées", a déclaré le 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.'

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