شرح خبر

برخلاف تصور عمومی و بر اساس یک نظریه‌ی جدید، سرعت گرم‌شدن یک جسمِ به اندازه‌ی کافی کوچک و سرد بیشتر از سرعت سردشدن یک جسم گرم است.

پژوهش‌گران به مدت طولانی می‌پنداشته‌اند که گرم‌شدن و سردشدن با آهنگ‌های یکسانی رخ می‌دهند. اما یک نظریه‌ی جدید نشان می‌دهد که سرعت گرم شدن اجسام در ابعاد نانو سریع‌تر از سردشدن آن هاست [1]. این اثر به عنوان نتیجه‌ای از یک اختلاف ظریف در نحوه‌ی گرم‌شدن و سردشدن در مقیاس نانو ظاهر می‌شود. پژوهش‌گران معتقدند این عدم تقارن به زودی در آزمایش‌ها به اثبات خواهد رسید و می‌تواند در مهندسیِ موتورهای کوچک برای استفاده در انواع قطعات نانو مفید واقع شود.

آلسو لاپولا (Alessio Lapolla) و آلجاز گودک (Aljaž Godec) از موسسه‌ی شیمی بیوفیزیک ماکس پلانک در آلمان به تحلیل رده‌ای از مدل‌های ریاضیِ فرآیندهای تعادلی پرداخته‌اند. آن‌ها در مدلی که به صورت یک بعدی ساده‌سازی شده، ذره‌ای را بررسی کرده‌اند که در ناحیه‌ی کوچکی به دام افتاده و یک حرکت براونی اتفاقی در دمای T را تجربه می‌کند. در این مدل ذره از محتمل‌ترین مکان برخوردار است (مرکز تله در x=0) و مکان ذره حول این نقطه به شکل اتفاقی در حال افت‌وخیر است. این افت‌وخیزها با یک تابع توزیع احتمال توصیف می‌شود؛ تابعی که نشان‌دهنده‌ی احتمال یافتن ذره در هر مکان است. این تابع نقطه‌ی اوجی در x=0 دارد و پهنایش با گرم‌شدن افزایش و با سردشدن کاهش می‌یابد.


لوپولا و گودک ابتدا توزیع احتمال مکان ذره را که در دمای سرد -Tو در دمای گرم +T نگه داشته شده است، محاسبه کرده‌اند. سپس این ذره‌ی به دام افتاده را به درون محیطی در دمای متفاوت Teq بین دمای T- و T+ قرار داده‌اند. با انتخاب Teq مناسب اختلاف انرژی آزاد را در هر دو مورد یکسان ساخته‌اند تا آهنگ تغییر دما به شکل یکسان تغییر کند. با این حال محاسبات جزئی آنان نشان داد که گرم‌شدن سیستم از دمای -T برای رسیدن به Teq سریع‌تر از سردشدن از دمای +Tبوده است.

به گفته‌ی گودک: «واهلش، در سربالایی سریع‌تر از سرازیری اتفاق می‌افتد. این یک عدم تقارن پیش‌بینی‌نشده است». این محققان همچنین این اثر را در یک جفت مدل‌ مرتبط دیگری نشان داده‌ و یک نظریه‌ی عمومی را به اثبات رسانده‌اند که نشان می‌دهد تحت چه شرایطی می‌توان چنین انتظاری داشت.

به پیشنهاد لاپولا و گودک، توضیح این اثر در مثال یک بعدی در عدم تعادل ظریفی نهفته است که نشان می‌دهد توزیع احتمال هر سیستم تحت گرم‌شدن یا سردشدن چگونه پیش می‌رود. در هر دو مورد حرکت براونی به خودیِ خود باعث می‌شود تا توزیع پهن‌تر شود در حالی‌که اندرکنش‌ با «دیواره‌ها»ی تله باعث می‌شود تا ذره به مرکز بازگشته و توزیع باریک‌تر شود. بنابراین این اثرات در خلاف هم‌دیگر عمل می‌کنند. محققان دریافته‌اند که اگر در طول توزیع، متوسط‌گیری شود اثر روند رانش به درون در طول گرم شدن (وقتی توزیع در حال پهن شدن است) نسبت به سردشدن (وقتی در حال باریک‌تر شدن است) کمتر است. وقتی فرآیند در خلاف پهن‌شدگی براونی در هنگام گرم شدن تاثیر کمتری داشته باشد، توزیع با سرعت بیشتری به پهنای نهایی‌اش می رسد.

به گفته‌ی گودک: «معتقدم هنوز چیزهای بسیار زیادی وجود دارد تا آن‌ها را درک کنیم. تاکنون تنها ما به چیزهای سطحی دست یافته‌ایم». این تیم امیدوارند که مطالعه‌ی بیشتر این اثر به درک و فهم عمیق‌تر از شرایط دیگری بیانجامد که دما در طول زمان تغییر پیدا می‌کند. برای مثال بعضی مایعات اگر دمای اولیه‌شان به جای سردتر بودن گرم‌تر باشد، بسیار سریع‌تر منجمد می‌شوند؛ پدیده‌ای که اثر امپمبا (Mpemba ) معروف است.

به بیان ادگار رولدان (Edgar Roldan) فیزیک آماری‌دان از مرکز بین‌المللی فیزیک نظری عبدالسلام در ایتالیا: «این اثر را جالب و خلاف روال معمول یافتم. چون در دماهای بالاتر یک سیستم افت‌وخیزهای بزرگ‌تری دارد و بنابراین ترکیب‌بندی‌های بیشتری وجود دارد تا به جستجوی آن‌ها بپردازیم. این مرا کمی به یاد اثر امپمبا می‌اندازد».

پژوهش‌گران معتقدند بایستی اثبات این اثر در آزمایش ساده‌تر بوده و در آینده‌ی نزدیک قابل انجام باشد. برای مثال با اندازه‌گیری موقعیت‌ها و دماهای موثر ذرات نگه‌داشته شده در یک تله‌ی اپتیکی می‌توان این کار را به انجام رساند. محققان پیشنهاد می‌دهند که این اثر در برخی کاربردهای عملی نیز مفید باشد؛ مثل تلاش‌هایی که برای بهبود بازدهی موتورهای میکروسکوپیکی و پمپ‌های حرارتی بواسطه‌ی مهندسی ویژگی‌های حرارتی مطلوب‌تر انجام می‌شود.

درباره‌ی نویسنده:

مارک بوچانان (Mark Buchanan) نویسنده‌ی آزاد علمی است که وقتش را مابین آبرگاونی در انگلستان و نوتره‌دام در فرانسه سپری می‌کند.

مرجع:

A. Lapolla and A. Godec, “Faster uphill relaxation in thermodynamically equidistant temperature quenches,” Phys. Rev. Lett. 125, 110602 (2020).

منبع:

Nanoscale Warming Is Faster Than Cooling



نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
کد خبر :‌ 3212

آمار بازدید: ۵۱
همرسانی این خبر را با دوستان‌تان به اشتراک بگذارید:
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌


صفحه انجمن فیزیک ایران را دنبال کنید




حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)
  • پژوهشگاه دانش‌های بنیادی
  • مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران
  • دانشگاه صنعتی شریف
  • دانشکده فیزیک دانشگاه تهران

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Server: Iran (45.82.138.40)

www.irandg.com