Efficienza asimmetria: Gli scienziati riportano una fondamentale asimmetria tra il riscaldamento e il raffreddamento.

17 gennaio 2024 caratteristica

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a cura di Tejasri Gururaj , Phys.org

Uno studio condotto da scienziati spagnoli e tedeschi ha scoperto una fondamentale asimmetria che dimostra come il riscaldamento sia costantemente più veloce del raffreddamento, mettendo in discussione le aspettative convenzionali e introducendo il concetto di 'cinematica termica' per spiegare questo fenomeno. I risultati sono pubblicati su Nature Physics.

Tradizionalmente, il riscaldamento e il raffreddamento, processi fondamentali della termodinamica, sono stati considerati simmetrici, seguendo percorsi simili.

Su scala microscopica, il riscaldamento comporta l'iniezione di energia nelle singole particelle, intensificandone il moto. D'altra parte, il raffreddamento comporta la liberazione di energia, smorzando il loro moto. Tuttavia, una domanda è sempre rimasta: perché il riscaldamento è più efficiente del raffreddamento?

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori guidati dal professor associato Raúl A. Rica Alarcón dell'Universidad de Granada in Spagna e dal dottor Aljaz Godec del Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences in Germania hanno introdotto un nuovo approccio: la cinematica termica.

Parlando della loro motivazione nel perseguire un argomento così fondamentale, il prof. Alarcón ha detto a Phys.org: "Fin dall'infanzia sono stato incuriosito dal motivo per cui il riscaldamento sia più efficiente del raffreddamento e ho domande come: 'Perché non abbiamo un dispositivo come un forno a microonde per un raffreddamento rapido?'"

Il dott. Godec ha aggiunto: "I fenomeni di rilassamento termico sono sempre stati un grande argomento di ricerca nel gruppo (questi sono problemi complessi nella fisica del non equilibrio). Tuttavia, le domande specifiche sull'asimmetria tra riscaldamento e raffreddamento sono state inizialmente suscitate dall'intuizione matematica. Non ci aspettavamo che la risposta fosse così sorprendente."

A livello microscopico, il riscaldamento e il raffreddamento sono processi che coinvolgono lo scambio e la redistribuzione di energia tra singole particelle all'interno di un sistema.

Nel contesto della recente ricerca, l'attenzione è rivolta a comprendere la dinamica dei sistemi microscopici sottoposti a rilassamento termico, ovvero come questi sistemi si evolvono quando sono sottoposti a variazioni di temperatura.

Nel riscaldamento, l'energia viene iniettata in ogni particella di un sistema, portando all'intensificarsi del moto delle particelle. Ciò le fa muovere in modo più vigoroso. Più alta è la temperatura, più intenso sarà il moto browniano (o casuale) di queste particelle a causa delle collisioni con le molecole d'acqua circostanti.

D'altra parte, il raffreddamento a livello microscopico comporta la liberazione di energia dalle particelle individuali, risultando in un'attenuazione del loro moto. Questo processo corrisponde alla perdita di energia da parte del sistema, che porta a una diminuzione dell'intensità del movimento delle particelle.

"Il nostro lavoro è dedicato all'analisi dell'evoluzione di un sistema microscopico dopo che è stato portato lontano dall'equilibrio. Consideriamo la termalizzazione di un sistema microscopico, ovvero come un sistema a una determinata temperatura evolve verso la temperatura di un bagno termico con cui viene messo in contatto", ha spiegato il dott. Godec.

Il prof. Alarcón ha inoltre spiegato: "Un esempio chiaro sarebbe prendere un oggetto da un bagno d'acqua bollente (a 100 gradi Celsius) e immergerlo in una miscela di acqua e ghiaccio (a 0 gradi Celsius)."

"Confrontiamo la velocità con cui il sistema si equilibra con il protocollo inverso, quando l'oggetto è inizialmente nel bagno freddo e riscaldato in acqua bollente. Osserviamo che, a livello microscopico, il riscaldamento è più veloce del raffreddamento e spieghiamo questo teoricamente sviluppando un nuovo approccio che chiamiamo cinematica termica."

I ricercatori hanno utilizzato una sofisticata configurazione sperimentale per osservare e quantificare la dinamica dei sistemi microscopici sottoposti a rilassamento termico. Al centro della loro sperimentazione c'erano delle pinzette ottiche, una potente tecnica che utilizza la luce laser per catturare microparticelle singole fatte di silice o plastica.

"Questi piccoli oggetti si muovono in modo apparentemente casuale a causa delle collisioni con le molecole d'acqua, eseguendo il cosiddetto moto browniano mentre sono confinati in una piccola regione dalle pinzette. Maggiore è la temperatura dell'acqua, più intenso sarà il moto browniano a causa di collisioni più frequenti e intense con le molecole d'acqua", ha spiegato il prof. Alarcón.

Per indurre cambiamenti termici, i ricercatori hanno sottoposto le microparticelle confinate a varie temperature. Hanno controllato attentamente la temperatura dell'ambiente circostante utilizzando un segnale elettrico rumoroso, simulando un bagno termico.

"Il nostro dispositivo sperimentale ci consente di seguire il movimento della particella con grande precisione, fornendo accesso a queste dinamiche precedentemente inesplorate", ha detto il dott. 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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