Des physiciens de l'Université de Zurich ont mis au point un dispositif étonnamment simple qui permet à la chaleur de passer temporairement d'un objet froid à un objet chaud sans alimentation externe. Curieusement, le processus semble d'abord contredire les lois fondamentales de la physique.

Si vous mettez une théière d'eau bouillante sur la table de la cuisine, il va progressivement se refroidir. Cependant, sa température ne devrait pas tomber en dessous de celle de la table. C'est précisément cette expérience quotidienne qui illustre l'une des lois fondamentales de la physique - la deuxième loi de la thermodynamique - qui stipule que l'entropie d'un système naturel fermé doit augmenter avec le temps. Ou, plus simplement :la chaleur ne peut s'écouler d'elle-même que d'un objet plus chaud vers un objet plus froid, et non l'inverse.

Refroidissement en dessous de la température ambiante

Les résultats d'une expérience récente menée par le groupe de recherche du professeur Andreas Schilling du Département de physique de l'Université de Zurich (UZH) semblent à première vue remettre en cause la deuxième loi de la thermodynamique. Les chercheurs ont réussi à refroidir un morceau de cuivre de neuf grammes de plus de 100 °C à une température nettement inférieure à la température ambiante sans alimentation électrique externe. "Théoriquement, ce dispositif expérimental pourrait transformer l'eau bouillante en glace, sans utiliser d'énergie, " dit Schilling.

Création de courants de chaleur oscillants

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un élément Peltier, un composant couramment utilisé, par exemple, pour refroidir les minibars dans les chambres d'hôtel. Ces éléments peuvent transformer les courants électriques en différences de température. Les chercheurs avaient déjà utilisé ce type d'élément dans des expériences précédentes, en liaison avec une inductance électrique, pour créer un courant de chaleur oscillant dans lequel le flux de chaleur entre deux corps changeait perpétuellement de direction. Dans ce scénario, la chaleur s'écoule également temporairement d'un objet plus froid vers un objet plus chaud, de sorte que l'objet le plus froid se refroidit davantage. Ce genre de "circuit oscillant thermique" contient en effet un "inducteur thermique". Il fonctionne de la même manière qu'un circuit électrique oscillant, dans laquelle la tension oscille avec un signe en constante évolution.

Les lois de la physique restent intactes

Jusqu'à maintenant, L'équipe de Schilling n'avait fait fonctionner ces circuits oscillants thermiques qu'à l'aide d'une source d'énergie. Les chercheurs ont maintenant montré pour la première fois que ce type de circuit oscillant thermique peut également fonctionner "passivement", c'est-à-dire sans alimentation externe. Des oscillations thermiques se produisaient encore et, après un moment, la chaleur s'écoulait directement du cuivre le plus froid vers un bain de chaleur plus chaud avec une température de 22°C, sans être temporairement transformé en une autre forme d'énergie. Malgré cela, les auteurs ont également pu montrer que le processus ne contredit en réalité aucune loi de la physique. Pour le prouver, ils ont considéré le changement d'entropie de l'ensemble du système et ont montré qu'il augmentait avec le temps, conformément à la deuxième loi de la thermodynamique.

L'application potentielle est encore loin

Bien que l'équipe ait enregistré une différence d'environ 2°C seulement par rapport à la température ambiante dans l'expérience, cela était principalement dû aux limitations de performance de l'élément Peltier commercial utilisé. Selon Schilling, il serait théoriquement possible d'atteindre un refroidissement jusqu'à -47°C dans les mêmes conditions, si l'élément Peltier « idéal » – encore à inventer – pouvait être utilisé :« Avec cette technologie très simple, de grandes quantités de solide chaud, les matériaux liquides ou gazeux pourraient être refroidis bien en dessous de la température ambiante sans aucune consommation d'énergie."

Le circuit thermique passif pourrait également être utilisé aussi souvent que souhaité, sans avoir besoin de le connecter à une alimentation électrique. Cependant, Schilling admet qu'une application à grande échelle de la technique est encore loin. Une des raisons à cela est que les éléments Peltier actuellement disponibles ne sont pas assez efficaces. Par ailleurs, la configuration actuelle nécessite l'utilisation d'inducteurs supraconducteurs pour minimiser les pertes électriques.

Perceptions établies remises en question

Le physicien de l'UZH considère que le travail est plus important qu'une simple étude de « preuve de principe » :« À première vue, les expériences semblent être une sorte de magie thermodynamique, remettant ainsi en cause dans une certaine mesure nos perceptions traditionnelles du flux de chaleur. »