Nowe oblicze ciepła

Czas czytania: około 6 minut

Nowe oblicze ciepła

Ciekawość świata i pytanie „dlaczego?” napędza naukę i przyczynia się do coraz większych odkryć. Nawet pomiar temperatury podczas mieszania gorącej wody z zimną, prowadzi do interesujących obserwacji. Pragniemy dowiedzieć się czegoś nowego, poznać nieznane i odkryć nieodkryte, wszak tak wiele jeszcze nie wiemy. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk potwierdzili obecność efektu Mpemby w gazie doskonałym i ujawnili nieznane dotąd oblicze ciepła. Ich odkrycie rozpoczęło się od rozważenia prostego układu o dobrze zdefiniowanym rozkładzie temperatury: rury wypełnionej gazem doskonałym, nagrzanej tylko na jednym końcu. I choć zdawałoby się, że o cieple wiemy już prawie wszystko, jeszcze wiele może nas zaskoczyć. Przyjrzyjmy się bliżej ich odkryciom.

Żyjemy w czasie, gdy niemal każda dziedzina życia jest z związana z energią. Można rzec, że energii zawdzięczamy wszystko. Ogrzewanie domu, silniki samochodowe i   panele słoneczne działają dzięki przetwarzaniu jednego rodzaju energii w drugą. Przykładowo, spalanie paliw kopalnych zmienia energię chemiczną, zamkniętą w wiązaniach chemicznych tysiące lat temu przez rośliny, w ciepło i promieniowanie. Podobna przemiana zachodzi w organizmie człowieka. Energia chemiczna z pożywienia przekształcana jest w ciepło i pracę mechaniczną wykonywaną przez nasze mięśnie. Bez względu na to, co robimy, ciepło towarzyszy nam każdego dnia.

Ciepło rozchodzi się wskutek różnic w drganiach atomów. Jest przekazywane pomiędzy nimi tak długo aż wszystkie atomy w danym obiekcie będą drgać podobnie, co oznacza, że osiągnęły równowagę termiczną. Na tej zasadzie działa pomiar temperatury przy użyciu termometru, który to przekształca drgający ruch atomów na dobrze zdefiniowane liczby, czyli skalę temperatury. Odczyt temperatury zmienia się tak długo, aż ruch atomów w termometrze stanie się podobny do ruchu atomów obiektu, którego temperaturę mierzymy.

Podobnie dzieje się w cieczach lub gazach: wymiana ciepła postępuje z powodu nierównomiernych zderzeń między gorącymi cząsteczkami i zimnymi. Spójrzmy na rurę wypełnioną gazem i szczelnie zamkniętą z dwóch stron, gdzie jeden koniec jest w stale podgrzewany, a drugi koniec jest zimny. Temperatura wewnątrz rury zmienia się, płynnie łącząc wartości po obu stronach. Ze względu na utrzymujące się różnice w ruchu termicznym atomów gazu wzdłuż rury, przepływ ciepła ustala się od gorącego końca do zimnego. I tu pojawia się pytanie. Z jaką prędkością ciepło płynie i jak ciepło zachowuje się gdy jego przepływ zostanie nagle zatrzymany na gorącym końcu rury? Jedną z odpowiedzi z pewnością byłoby stwierdzenie, że gaz będzie zmierzał do osiągnięcia równowagi termicznej. Istotnie, z czasem przepływ ciepła ustaje, jednak dzieje się to w zaskakujący sposób.

Ostatnio, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk kierowani przez prof. Annę Maciołek badali przepływ ciepła przez gaz doskonały. Odkryli oni nowe zjawisko, które pojawia się w skutek nagłego przerwania strumienia ciepła uprzednio płynącego przez gaz. Oprócz powolnej synchronizacji ruchu termicznego cząstek poprzez ich kolejne zderzeniami, znanego jako dyfuzja ciepła, zaobserwowali gwałtowną zmianę stanu gazu, rozprzestrzeniającą się z niezwykłą prędkością.

Naukowcy odkryli front ciepła, który porusza się z prędkością dźwięku zostawiając niższą temperaturę za sobą. Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że ciśnienie za frontem ciepła jest niższe niż przed frontem a więc front rozchodzi się „pod prąd” gradientu ciśnień. W rezultacie, na długo przed tym, jak zmiany dyfuzyjne dotrą do zimnej części rury, gaz ochładza się stopniowo wszędzie tam, gdzie front dociera. Co więcej, front ciepła jest bezpośrednim świadectwem zaniku strumienia ciepła, który wcześniej płynął przez gaz. Ujawnia więc, że ciepło podróżuje przez gaz z prędkością dźwięku.

Wypływ ciepła z niejednorodnie nagrzanej rury na dłuższej skali czasu, sugeruje postawienie kolejnego interesującego pytania: czy układ nagrzewa się tak samo szybko, jak ochładza? Dlatego też zamiast wyłączać dopływ ciepła na rozgrzanym końcu, naukowcy przerwali wypływ ciepła na zimnym końcu rury. Okazało się, że wyrównanie temperatury do gorącego końca zajmuje więcej czasu, niż gdyby odciąć ogrzewanie.

Dr Żuk, pierwszy autor pracy, zauważa: "Jeśli gradient temperatury w stanie początkowym jest taki sam, to różnica energii między stanem początkowym a równowagą końcową kontroluje czas relaksacji, tj. im mniejsza jest ta różnica, tym szybszy jest proces. Do ogrzania układu, aby osiągnąć równowagę termiczną z cieplejszym końcem potrzeba więcej energii, niż może wypłynąć, gdy układ osiąga równowagę termiczną z końcem zimniejszym. Na podobnej zasadzie wytłumaczyć można pojawienie się w naszym układzie efektu Mpemby".

Efekt Mpemby to nazwa zjawiska fizycznego, które dotyczy sprzeczne z intuicją tempa chłodzenia ciał, które zostało opisane przez pana Mpembę. Umieścił on w zamrażarce dwa pojemniki z wodą, które początkowo miały różne temperatury. Ku swojemu zdumieniu, zauważył, że to cieplejszy a nie zimny pojemnik szybciej zamarzł.

"Pokazaliśmy, że przyspieszone chłodzenie gorętszego obiektu jest konsekwencją zależności między ilością energii zmagazynowanej w stanie stacjonarnym a natężeniem strumienia ciepła, które przepływa przez układ." – twierdzi dr Żuk.

Odkrycia te pokazują, jak wiele jest jeszcze do zbadania, nawet w dziedzinach, które wydają się być znane od lat. Od greckich filozofów, takich jak Lukrecjusz, którzy twierdzili: "We wszystkich ciałach jest więc jakaś domieszka pustej przestrzeni ", przez dobrze zdefiniowaną koncepcję ciepła, aż po odkrycie, jak szybko przenoszona jest energia cieplna.

W artykule opublikowanym w Physical Reviews E przez naukowców z IChF PAN, pokazano istnienie efektu Mpemby w gazie doskonałym ale przede wszystkim odkryto nowe oblicze ciepła: to front, który przemieszcza się z prędkością dźwięku.

Badania zostały wykonane w projekcie, który otrzymał finansowanie w programie w zakresie badań naukowych i innowacji Unii Europejskiej Horyzont 2020 w ramach Grantu Marie-Skłodowska Curie Umowa Nr 847413 i był częścią międzynarodowo współfinansowanego projektu finansowanego przez program Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pod tytułem "PMW" w latach 2020-2024; Umowa Nr 5005/H2020-MSCA-COFUND/2019/2.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
“Transient dynamics in the outflow of energy from a system in a nonequilibrium stationary state”
Paweł J. Zuk, Karol Makuch, Robert Hołyst, and Anna Maciołek
PHYSICAL REVIEW E 105, 054133 (2022) 1012
DOI: https://doi.org/ 10.1103/PhysRevE.105.054133

  • Autor: Dr Magdalena Osial
  • Kontakt: magdalena@osial.eu
  • Materiał graficzny: Grzegorz Krzyżewski
  • Data wpisu: 4.08.2022