ในระดับนาโน วัตถุจะอุ่นเร็วกว่าที่เย็นลง นั่นคือข้อสรุปที่น่าประหลาดใจของAlessio LapollaและAljaž Godecที่สถาบัน Max Planck Institute of Biophysical Chemistry ในเยอรมนี ซึ่งทำนายความไม่สมดุลนี้โดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอนุภาคนาโนที่กักขัง สมมติฐานพื้นฐานประการหนึ่งในอุณหพลศาสตร์คือวัตถุที่ร้อนหรือเย็นกว่าสภาพแวดล้อมโดยรอบจะเย็นลงหรือร้อนขึ้นตามลำดับ
ในอัตราเดียวกัน ดังนั้น วัตถุที่อุ่นกว่าอุณหภูมิห้องเล็กน้อย
จะมีอุณหภูมิห้องพร้อมกับวัตถุที่เหมือนกันซึ่งเริ่มต้นต่ำกว่าอุณหภูมิห้องเล็กน้อย Lapolla และ Godec ทดสอบหลักการนี้ในการศึกษาของพวกเขาโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอนุภาคนาโนขนาดเล็กที่ติดอยู่ในกล่องมิติเดียว ขณะที่อนุภาคเคลื่อนตัวแบบบราวเนียน ตำแหน่งของอนุภาคจะถูกจับคู่โดยใช้การแจกแจงความน่าจะเป็น ซึ่งอยู่ที่จุดศูนย์กลางของกล่อง ซึ่งมีโอกาสมากที่สุดที่จะพบอนุภาค เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ทั้งคู่จึงคาดการณ์ว่าการให้ความร้อนจะทำให้การกระจายความน่าจะเป็นกระจายออกไปในระหว่างการให้ความร้อน และแคบลงในระหว่างการทำความเย็น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่คาดว่าจะส่งผลให้เกิดความแตกต่างในการที่อนุภาคร้อนและเย็นเข้าสู่สมดุลกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ
นอกกำแพงอย่างไรก็ตาม ตรงกันข้ามกับความคาดหวัง Lapolla และ Godec สังเกตว่าอนุภาคที่อุ่นกว่าใช้เวลาในการทำให้เย็นลงนานกว่าวัตถุที่เย็นกว่าจะทำให้อุ่นขึ้น เพื่ออธิบายความไม่สมดุลนี้ ทั้งคู่แนะนำว่าการเคลื่อนที่แบบไดนามิกมากขึ้นของอนุภาคที่อุ่นกว่าหมายความว่ามันจะกระเด้งออกจากผนังกล่องบ่อยขึ้น ผลจากการกระดอนนี้ อนุภาคที่อบอุ่นจึงมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนเข้าหาศูนย์กลางของกล่องได้ง่ายขึ้น สิ่งนี้จะต่อต้านการแพร่กระจายเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ซึ่งจะทำให้การกระจายความน่าจะเป็นของอนุภาคแคบลงจนถึงกึ่งกลางกล่อง ในทางตรงกันข้าม การกระดอนนี้เด่นชัดน้อยลงในอุณหภูมิที่เย็นกว่า ด้วยการต่อต้านการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนน้อยกว่า อนุภาคที่เย็นกว่าสามารถผ่อนคลายในสภาวะสมดุลได้ง่ายกว่าอนุภาคที่อุ่นกว่า
เมื่อเย็นร้อนเร็วกว่าร้อน Lapolla และ Godec เชื่อว่า
ผลลัพธ์ของพวกเขาจะช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระบบระดับนาโน นอกจากนี้ยังสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่สดใหม่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ต่างๆ เช่นเอฟเฟกต์ Mpembaโดยที่น้ำจะแข็งตัวเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิเริ่มต้นอุ่นขึ้น ตอนนี้ทั้งคู่หวังว่าจะตรวจสอบผลลัพธ์ของพวกเขาผ่านการทดลองเชิงปฏิบัติ ซึ่งสามารถทำได้ค่อนข้างง่ายโดยการจำกัดอนุภาคภายในกับดักแสง ข้อมูลเชิงลึกที่ได้รับจากการศึกษาเหล่านี้ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งรวมถึงไมโครมอเตอร์และปั๊มความร้อน
Alicki และ Jenkins ได้กำหนดคำอธิบายทางเลือกของพวกเขาโดยผสมผสานแนวคิดของการสูบเข้าสู่แบบจำลองควอนตัมใหม่ของระบบที่อยู่ระหว่างกระบวนการไทรโบอิเล็กทริก “การสูบน้ำสามารถเติมเต็มศักยภาพ แต่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยศักยภาพ” เจนกินส์อธิบาย “มันสามารถทำสิ่งที่ไม่มีศักยภาพที่จะทำได้ และนั่นคือการขับเคลื่อนบางสิ่งไปรอบๆ บนเส้นทางที่ปิด”
การใช้แบบจำลองที่ใช้การปั๊มนี้ ทั้งคู่ประสบความสำเร็จในการทำซ้ำลักษณะเฉพาะของไทรโบอิเล็กทริกที่สังเกตได้จากการทดลองหลายอย่าง เช่น การพึ่งพาพื้นผิววัสดุและรูปทรง และความเร็วของการถู โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบบจำลองคาดการณ์อย่างแม่นยำว่าวัสดุที่เป็นลบทางไฟฟ้าและประจุบวกทางไฟฟ้ามากที่สุดจะมีความหนาแน่นของประจุสูงสุดที่สมมาตรเมื่อถู ซึ่งเป็นสิ่งที่แบบจำลองตามแบบจำลองศักย์ไฟฟ้าไม่สามารถอธิบายได้ โมเดลใหม่นี้ยังคาดการณ์ค่า Tribovoltage สูงสุดในแง่ของความเร็วการเลื่อนของพื้นผิวทั้งสอง ซึ่ง Alicki และ Jenkins กล่าวว่าสามารถทดสอบได้โดยใช้ชุดทดลองที่มีการควบคุมความเร็วคงที่ที่เพียงพอ
จากโบซอนที่เลอะจนกลายเป็นเฟอร์มิออน
ในขณะที่ Alicki ทำงานเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ควอนตัมมานานหลายทศวรรษ เจนกินส์เป็นผู้รับสมัครใหม่ โดยเริ่มต้นจากทฤษฎีพลังงานสูง เมื่อเส้นทางของพวกเขามาบรรจบกัน – เจนกินส์เพิ่งเริ่มต้นการคบหาที่สถาบัน Gdansk’s Institute for Theory of Quantum Technologies ( ICTQT ) – พวกเขาค้นพบว่าพวกเขาแบ่งปันความสนใจในระบบที่พบในมอเตอร์และเครื่องยนต์ที่ทำงานห่างจากสมดุลซึ่งพลังงานจะถูกแปลงจากพลังงานอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ ฟอร์มไปอีก ในขณะที่ระบบดังกล่าวเป็นรากฐานของวิศวกร และAlicki และผู้ทำงานร่วมกันเริ่มทำงานกับระบบเหล่านี้จนถึงช่วงปลายทศวรรษ 1970 เจนกินส์กล่าวว่าโดยรวมแล้ว พวกเขาได้รับความสนใจจากนักทฤษฎีน้อยกว่าระบบที่สมดุล ผันผวนตามสมดุลหรือ ผ่อนคลายสู่สมดุล
ในตอนแรก ความสนใจร่วมกันในระบบที่ไม่สมดุลนี้ทำให้ Alicki และ Jenkins กำหนดคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของ “superradiance” หรือผลกระทบที่เพิ่มขึ้นของรังสีที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่หมุนได้ ผลกระทบดังกล่าวได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี 1971 โดย Yakov Zel’dovich ซึ่งข้อเสนอแนะว่ารัศมียิ่งยวดควรนำไปใช้กับมวลความโน้มถ่วงที่หมุนรอบตัวนำไปสู่งานติดตามโดย Jacob Bekenstein และ Stephen Hawking เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ
จากการอธิบายระบบการหมุนในแง่ของสนามควอนตัม และการปฏิบัติต่อวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นอ่างความร้อน Alicki และ Jenkins ได้แสดงให้เห็นว่างานจะถูกดึงออกมาผ่านการกระตุ้นด้วยการปล่อยก๊าซเรือนกระจก คล้ายกับการทำงานของเลเซอร์ได้อย่างไร แต่ในขณะที่การเปรียบเทียบด้วยเลเซอร์ของพวกเขาให้มุมมองใหม่เกี่ยวกับระบบดังกล่าว กระบวนการพื้นฐานในขณะที่แปลกใหม่นั้นค่อนข้างเข้าใจดีอยู่แล้ว หลังจากนั้นไม่นานพวกเขาก็ตระหนักว่าการกำหนดสนามควอนตัมและอ่างความร้อนสองอ่างสามารถนำไปสู่บางสิ่ง “ใหม่เชิงคุณภาพ”: คำอธิบายสำหรับการเคลื่อนไหวที่ขับเคลื่อนกระแสอิเล็กตรอน fermionic จากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งในลักษณะไตรโบอิเล็กทริกที่ต่ำต้อย
“วิญญาณของวัตถุที่ไม่มีชีวิต”
ทั้งคู่สร้างแบบจำลองของพวกเขาโดยกำหนด Hamiltonians ด้วยตัวดำเนินการสร้างและทำลายล้างสำหรับสถานะอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุที่เคลื่อนที่ (ซึ่งเกิดการผกผันของประชากร) และภายในภายในของวัสดุที่ถูทั้งสอง (ซึ่งทำหน้าที่เป็นอ่างความร้อน) จากนั้นพวกเขากำหนดปั๊มของระบบในแง่ของอัตราการเปลี่ยนแปลงของประชากรของสถานะอิเล็กตรอนเหล่านี้ แม้ว่าหลักการกีดกันของ Pauli จะห้ามไม่ให้เฟอร์มิออน เช่น อิเล็กตรอนแสดงการแผ่รังสีเหนือแสง แต่ Alicki และ Jenkins ก็สามารถแสดงให้เห็นว่าวัตถุที่เทอะทะของพื้นผิวทั้งสองทำหน้าที่เป็นอ่างความร้อนสองอ่าง แต่การผกผันของประชากรที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของ fermion อาจยังคงส่งผลและรักษา กระแสมหภาค
Credit : fashionliability.com fiestasdesanjuan.org fiksius.com foliumzuurb11.com fpclouisville.com
