I fisici dell'Università di Zurigo hanno sviluppato un dispositivo incredibilmente semplice che consente al calore di fluire temporaneamente da un oggetto freddo a uno caldo senza un'alimentazione esterna. intrigante, il processo inizialmente sembra contraddire le leggi fondamentali della fisica.

Se metti una teiera di acqua bollente sul tavolo della cucina, si raffredderà gradualmente. Però, la sua temperatura non dovrebbe scendere al di sotto di quella del tavolo. È proprio questa esperienza quotidiana che illustra una delle leggi fondamentali della fisica - la seconda legge della termodinamica - che afferma che l'entropia di un sistema naturale chiuso deve aumentare nel tempo. O, più semplicemente:il calore può fluire da solo solo da un oggetto più caldo a uno più freddo, e non viceversa.

Raffreddamento al di sotto della temperatura ambiente

I risultati di un recente esperimento condotto dal gruppo di ricerca del Prof. Andreas Schilling presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Zurigo (UZH) sembrano a prima vista mettere in discussione il secondo principio della termodinamica. I ricercatori sono riusciti a raffreddare un pezzo di rame di nove grammi da oltre 100°C a una temperatura significativamente inferiore a quella ambiente senza un alimentatore esterno. "Teoricamente, questo dispositivo sperimentale potrebbe trasformare l'acqua bollente in ghiaccio, senza consumare energia, "dice Schilling.

Creazione di correnti di calore oscillanti

Per realizzare questo, i ricercatori hanno utilizzato un elemento di Peltier, un componente comunemente usato, Per esempio, per raffreddare i minibar nelle camere d'albergo. Questi elementi possono trasformare le correnti elettriche in differenze di temperatura. I ricercatori avevano già utilizzato questo tipo di elemento in precedenti esperimenti, in connessione con un induttore elettrico, per creare una corrente termica oscillante in cui il flusso di calore tra due corpi cambia continuamente direzione. In questo scenario, il calore scorre anche temporaneamente da un oggetto più freddo a uno più caldo in modo che l'oggetto più freddo si raffreddi ulteriormente. Questo tipo di "circuito oscillante termico" contiene in effetti un "induttore termico". Funziona allo stesso modo di un circuito elettrico oscillante, in cui la tensione oscilla con segno in continuo cambiamento.

Le leggi della fisica rimangono intatte

Fino ad ora, La squadra di Schilling aveva fatto funzionare questi circuiti oscillanti termici solo utilizzando una fonte di energia. I ricercatori hanno ora dimostrato per la prima volta che questo tipo di circuito oscillante termico può essere azionato anche "passivo", cioè senza alimentazione esterna. Si verificavano ancora oscillazioni termiche e, dopo un po, il calore fluiva direttamente dal rame più freddo a un bagno di calore più caldo con una temperatura di 22°C, senza essere temporaneamente trasformato in un'altra forma di energia. Nonostante questo, gli autori sono stati anche in grado di dimostrare che il processo in realtà non contraddice nessuna legge della fisica. Per dimostrarlo, considerarono la variazione di entropia dell'intero sistema e mostrarono che essa aumentava con il tempo, in piena conformità con la seconda legge della termodinamica.

Potenziale applicazione ancora molto lontana

Sebbene il team abbia registrato una differenza di soli 2°C circa rispetto alla temperatura ambiente nell'esperimento, ciò era dovuto principalmente alle limitazioni prestazionali dell'elemento Peltier commerciale utilizzato. Secondo Schilling, sarebbe possibile in teoria ottenere un raffreddamento fino a -47°C nelle stesse condizioni, se l'elemento "ideale" di Peltier, ancora da inventare, potesse essere utilizzato:"Con questa tecnologia molto semplice, grandi quantità di solido caldo, i materiali liquidi o gassosi potrebbero essere raffreddati ben al di sotto della temperatura ambiente senza alcun consumo di energia."

Il circuito termico passivo può essere utilizzato anche tutte le volte che lo si desidera, senza la necessità di collegarlo a un alimentatore. Però, Schilling ammette che un'applicazione su larga scala della tecnica è ancora molto lontana. Uno dei motivi è che gli elementi Peltier attualmente disponibili non sono sufficientemente efficienti. Per di più, l'attuale configurazione prevede l'utilizzo di induttanze superconduttrici per ridurre al minimo le perdite elettriche.

Percezioni consolidate messe in discussione

Il fisico dell'UZH considera il lavoro più significativo di un mero studio di "prova di principio":"A prima vista, gli esperimenti sembrano essere una sorta di magia termodinamica, sfidando così in una certa misura le nostre percezioni tradizionali del flusso di calore."