Un nuovo studio condotto da scienziati spagnoli e tedeschi ha trovato un’asimmetria fondamentale che mostra che il riscaldamento è costantemente più veloce del raffreddamento, sfidando 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 in termodinamica, sono stati percepiti come simmetrici, seguendo percorsi simili.
A livello microscopico, il riscaldamento comporta l’iniezione di energia nelle singole particelle, intensificandone il movimento. D'altro canto, il raffreddamento comporta il rilascio di energia, smorzandone il movimento. Tuttavia, rimane sempre una domanda:perché il riscaldamento è più efficiente del raffreddamento?
Per rispondere a queste domande, i ricercatori guidati dal Prof. Associato Raúl A. Rica Alarcón dell'Università di Granada in Spagna e dal Dr. Aljaz Godec dell'Istituto Max Planck per le scienze multidisciplinari in Germania hanno introdotto un nuovo quadro:la cinematica termica.
Parlando della loro motivazione dietro l'esplorazione di un argomento così fondamentale, il Prof. Alarcón ha detto a Phys.org:"Fin dall'infanzia, sono stato incuriosito dal motivo per cui il riscaldamento è più efficiente del raffreddamento. E ho domande come:'Perché non abbiamo un dispositivo come un forno a microonde per il raffreddamento rapido?'"
Il Dr. Godec ha aggiunto:"I fenomeni di rilassamento termico sono sempre stati un grande argomento di ricerca nel gruppo (si tratta di problemi difficili nella fisica del non equilibrio). Tuttavia, domande specifiche sull'asimmetria di riscaldamento e raffreddamento sono state inizialmente provocate dall'intuizione matematica. Abbiamo fatto non aspettarti che la risposta sia così sorprendente."
A livello microscopico, il riscaldamento e il raffreddamento sono processi che coinvolgono lo scambio e la ridistribuzione dell'energia tra le singole particelle all'interno di un sistema.
Nel contesto della recente ricerca, l'attenzione è rivolta alla comprensione della dinamica dei sistemi microscopici sottoposti a rilassamento termico:come questi sistemi si evolvono quando sottoposti a cambiamenti di temperatura.
Nel riscaldamento, l'energia viene iniettata in ciascuna particella di un sistema, portando ad un'intensificazione del movimento delle particelle. Questo li fa muovere più vigorosamente. Maggiore è la temperatura, più intenso è il movimento browniano (o casuale) di queste particelle a causa dell'aumento delle collisioni con le molecole d'acqua circostanti.
D’altro canto, il raffreddamento a livello microscopico comporta il rilascio di energia dalle singole particelle, con conseguente smorzamento del loro movimento. Questo processo corrisponde alla perdita di energia del sistema, portando ad una diminuzione dell'intensità del movimento delle particelle.
"Il nostro lavoro è dedicato all'analisi dell'evoluzione di un sistema microscopico dopo che si è allontanato dall'equilibrio. Consideriamo la termalizzazione di un sistema microscopico, cioè come un sistema ad una data temperatura evolve fino alla temperatura di un bagno termale. viene messo in contatto", ha spiegato il Dr. Godec.
Prof. Alarcón. ha inoltre spiegato:"Un chiaro esempio sarebbe prendere un oggetto da un bagno di 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, su microscala, il riscaldamento è più veloce del raffreddamento e lo spieghiamo teoricamente sviluppando un nuovo quadro che chiamiamo cinematica termica."
I ricercatori hanno utilizzato un sofisticato apparato sperimentale per osservare e quantificare la dinamica dei sistemi microscopici sottoposti a rilassamento termico. Al centro della loro sperimentazione c'erano le pinzette ottiche, una potente tecnica che utilizza la luce laser per catturare singole microparticelle di silice o plastica.
"Questi minuscoli oggetti si muovono in modo apparentemente casuale a causa degli urti con le molecole d'acqua, eseguendo il cosiddetto moto browniano mentre sono confinati in una piccola regione da una pinzetta. Maggiore è la temperatura dell'acqua, più intenso è il moto browniano sarà dovuto a 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 temperature variabili. Controllavano attentamente la temperatura dell'ambiente circostante utilizzando un segnale elettrico rumoroso, simulando un bagno termale.
"Il nostro dispositivo sperimentale ci consente di tracciare il movimento della particella con estrema precisione, dando accesso a queste dinamiche precedentemente inesplorate", ha affermato il dott. Godec.
Manipolando la temperatura e osservando i movimenti risultanti, il team ha raccolto dati cruciali per comprendere le complessità del riscaldamento e del raffreddamento a livello di microscala.
Lo sviluppo del quadro teorico (cinematica termica) ha svolto un ruolo fondamentale nella spiegazione dei fenomeni osservati. Questo quadro combinava i principi della termodinamica stocastica (una generalizzazione della termodinamica classica alle traiettorie stocastiche individuali) con la geometria dell'informazione.
"Definendo la distanza e la velocità nello spazio delle distribuzioni di probabilità, abbiamo condotto dimostrazioni matematiche utilizzando metodi di analisi per dimostrare che l'effetto è generale," ha spiegato il dottor Godec.
La cinematica termica ha fornito uno strumento quantitativo per chiarire l'asimmetria osservata tra i processi di riscaldamento e raffreddamento. Ciò ha consentito ai ricercatori non solo di convalidare le previsioni teoriche, ma anche di esplorare la dinamica tra due temperature qualsiasi, rivelando uno schema coerente in cui il riscaldamento è più veloce del raffreddamento.
Il Prof. Alarcón e il Dr. Godec hanno scoperto un'inaspettata asimmetria nei processi di riscaldamento e raffreddamento. Inizialmente con l'obiettivo di verificare sperimentalmente una teoria proposta dai colleghi del Max Planck Institute, i ricercatori hanno scoperto che l'asimmetria si estendeva oltre specifici intervalli di temperatura, valendo per il riscaldamento e il raffreddamento tra due temperature qualsiasi.
Le implicazioni di questa asimmetria si estendono ai motori termici browniani:macchine microscopiche progettate per generare lavoro utile dalle differenze di temperatura.
"Capire come un sistema termalizza con diversi bagni termali può ottimizzare il processo di generazione di energia. Il tempo di equilibrazione diventa un parametro chiave per progettare con precisione i protocolli operativi del dispositivo", ha spiegato il Prof. Alarcón.
Sebbene non esistano applicazioni pratiche immediate, i ricercatori prevedono una maggiore efficienza nei micromotori, nel trasporto di merci su microscala e nei materiali che possono autoassemblarsi o autoripararsi.
Le implicazioni più ampie suggeriscono contributi allo sviluppo di nuove teorie generali per la dinamica dei sistemi browniani lontani dall'equilibrio.
"Ci aspettiamo che l'effetto non si limiti alle perturbazioni termiche, al raffreddamento della composizione, ecc., e mostri probabilmente analoghe asimmetrie. A questo punto è troppo presto per fare dichiarazioni su queste situazioni, ma sicuramente ci stiamo già pensando" ," ha aggiunto il Dott. Godec.
Il Prof. Alarcón ha concluso dicendo:"Il nostro obiettivo è ampliare le nostre scoperte a vari protocolli e sistemi, conducendo esperimenti che coinvolgono piccoli gruppi di particelle interagenti e sistemi con simmetria di inversione temporale rotta. Avanzamento della comprensione teorica e controllo matematico dello stocastico non autoaggiunto sistemi è cruciale per questa direzione. La nostra strategia attuale prevede lo sviluppo simultaneo di esperimenti e teorie."
Ulteriori informazioni: M. Ibáñez et al, Il riscaldamento e il raffreddamento sono fondamentalmente asimmetrici e si evolvono lungo percorsi distinti, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02269-z
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
© 2024 Rete Scienza X
