على عكس الحكمة التقليدية ، فإن جسمًا صغيرًا وباردًا بدرجة كافية يسخن لدرجة حرارة محيطه أسرع من أن يبرد الجسم الدافئ ، وفقًا لنظرية جديدة.
جليد أسرع. في ظل ظروف معينة ، يتجمد السائل الذي يتم وضعه في المجمد بشكل أسرع إذا بدأ من درجة حرارة أكثر دفئًا ، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير مبيمبا. أظهر الفيزيائيون الآن أنه من الناحية النظرية ، يحدث تأثير مشابه ولكن أكثر عمومية على المقياس النانوي: الأجسام الباردة تسخن أسرع من الأجسام الدافئة تبرد. يكشف البحث عن عدم تناسق أساسي في تطور الأجسام نحو التوازن الحراري.
افترض الباحثون منذ فترة طويلة أن التسخين والتبريد يحدثان بالمعدلات نفسها ، لكن نظرية جديدة تظهر أنه بالنسبة للأجسام النانوية ، فإن الأجسام الباردة تسخن أسرع من الأجسام الساخنة تبرد . يبدو أن التأثير ناتج عن اختلاف طفيف في طريقة عمل التدفئة والتبريد على المقياس النانوي. يعتقد الباحثون أن عدم التناسق يمكن إثباته قريبًا في التجارب ، ويمكن أن يكون مفيدًا في هندسة المحركات الصغيرة لاستخدامها في مجموعة متنوعة من الأجهزة النانوية.
تؤكد الفيزياء الأساسية أن معدلات التبريد والاحترار يجب أن تكون متطابقة إذا كانت الظروف هي نفسها. مثلما تتدحرج كرة على تل إلى أسفل ، بحثًا عن حالات طاقة أقل ، يتطور النظام الديناميكي الحراري عمومًا ، أو "يرتاح" لتقليل طاقته الحرة ، وهي كمية تمثل كمية الطاقة المتاحة للقيام بشغل. إذا كان فرق إجمالي الطاقة الحرة بين الشرطين الأولي والنهائي هو نفسه في كلتا الحالتين ، فيجب أن يتم التسخين والتبريد بنفس المعدل.
حلل كل من Alessio Lapolla وَ Aljaž Godec من معهد ماكس بلانك للكيمياء الفيزيائية الحيوية بألمانيا فئة من النماذج الرياضية لعملية الموازنة. في أحد النماذج المبسطة إلى بُعد واحد ، اخذا جسيمًا محاصرًا في منطقة صغيرة ويخضع لحركة براونية عشوائية عند درجة حرارة معينة T. في النموذج ، يكون للجسيم الموضع الأكثر احتمالًا - مركز المصيدة عند x=0 - ويتذبذب موضع الجسيم عشوائيًا حول هذه النقطة. يتم وصف هذه التقلبات من خلال توزيع الاحتمالية ، وهي دالة تمثل احتمال العثور على الجسيم في كل موضع. الوظيفة لها ذروتها عند x x=0 ، ويزداد عرضها مع التسخين وينخفض مع التبريد.
قام Lapolla و Godec أولاً بحل وضع التوزيع الاحتمالي لموضع الجسيم إذا تم الإمساك به عند درجة حرارة باردة T- وعند درجة حرارة ساخنة T+ثم تخيلا غرق نظام الجسيمات المحاصرة هذا في بيئة عند درجة حرارة مختلفة ، Teq ، تم اختيارها بين T- وَ T+ .من خلال اختيار Teq بشكل مناسب ، جعلا فرق الطاقة الحرة كما هو في كلتا الحالتين ، وتوقعا أن يكون معدل تغير درجة الحرارة متطابقًا. ومع ذلك ، كشفت حساباتهم التفصيلية أن ارتفاع درجة حرارة النظام من T- سيصل إلى Teq أسرع من النظام الذي يبرد من T+.
يقول جوديك: "يحدث الاسترخاء " صعودًا " أسرع من" انحدارًا ". "هذا عدم تناسق غير متوقع." أظهر الباحثان أيضًا التأثير في اثنين من النماذج الأخرى ذات الصلة وأثبتا نظرية عامة تعطي الشروط التي يجب توقعها في ظلها.
يكمن تفسير التأثير في المثال أحادي البعد ، كما يقترح لابولا وجوديك ، في عدم توازن دقيق في كيفية تطور التوزيع الاحتمالي لأي نظام في ظل ظروف الاحترار أو التبريد. في كلتا الحالتين ، ستؤدي الحركة البراونية من تلقاء نفسها إلى اتساع التوزيع ، بينما تؤدي التفاعلات مع "جدران" المصيدة إلى انجراف الجسيم إلى الخلف نحو المركز ، مما يضيق التوزيع. لذا فإن هذين التأثيرين يعملان في مواجهة بعضهما البعض. وجد الباحثان ، عند حساب المتوسط عبر التوزيع ، أن عملية الانجراف إلى الداخل كانت أقل فعالية أثناء الاحترار ، عندما يتسع التوزيع ، مقارنة بالتبريد ، حيث يضيق. مع عملية أقل فعالية في معارضة التوسع البراوني أثناء التسخين ، يصل التوزيع إلى عرضه النهائي بسرعة أكبر.
"أعتقد أنه لا يزال لدينا الكثير لنفهمه. يقول جوديك: "لقد خدشنا السطح فقط حتى الآن". يأمل الفريق أن تؤدي الدراسة الإضافية للتأثير إلى فهم أعمق للحالات الأخرى التي تتغير فيها درجة الحرارة بمرور الوقت. على سبيل المثال ، تتجمد بعض السوائل بسرعة أكبر إذا كانت درجة حرارة جسمها أكثر دفئًا وليس أكثر برودة - وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير مبيمبا.
يقول عالم الفيزياء الإحصائي إدغار رولدان من مركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية بإيطاليا ، "أجد التأثير مفاجئًا وغير بديهي ، لأنه في درجات الحرارة المرتفعة يكون للنظام تقلبات أكبر وبالتالي المزيد من التكوينات لاستكشافها. إنه يذكرني قليلاً بتأثير مبيمبا ".
يعتقد الباحثون أن التحقق من التأثير في التجارب يجب أن يكون سهلاً نسبيًا ويمكن إجراؤه في المستقبل القريب ، على سبيل المثال ، عن طريق قياس المواضع ودرجة الحرارة الفعالة للجسيمات الموجودة في مصيدة بصرية. يقترح الباحثان بأن التأثير قد يكون مفيدًا أيضًا في بعض التطبيقات العملية ، مثل الجهود المبذولة لتحسين كفاءة المحركات الميكروسكوبية والمضخات الحرارية من خلال هندسة خصائص حرارية أفضل.
المصدر