Une nouvelle étude menée par des scientifiques espagnols et allemands a découvert une asymétrie fondamentale montrant que le chauffage est systématiquement plus rapide que le refroidissement, remettant en question les attentes conventionnelles et introduisant le concept de « cinématique thermique » pour expliquer ce phénomène. Les résultats sont publiés dans Nature Physics .
Traditionnellement, le chauffage et le refroidissement, processus fondamentaux en thermodynamique, ont été perçus comme symétriques, suivant des chemins similaires.
Au niveau microscopique, le chauffage consiste à injecter de l'énergie dans des particules individuelles, intensifiant ainsi leur mouvement. D’un autre côté, le refroidissement entraîne la libération d’énergie, atténuant leur mouvement. Cependant, une question est toujours restée :pourquoi le chauffage est-il plus efficace que le refroidissement ?
Pour répondre à ces questions, des chercheurs dirigés par le professeur associé Raúl A. Rica Alarcón de l'Université de Grenade en Espagne et le Dr Aljaz Godec de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires en Allemagne ont introduit un nouveau cadre :la cinématique thermique.
Parlant de leur motivation à explorer un sujet aussi fondamental, le professeur Alarcón a déclaré à Phys.org :« Depuis mon enfance, je suis intrigué par la raison pour laquelle le chauffage est plus efficace que le refroidissement. appareil comme un four à micro-ondes pour un refroidissement rapide ?'"
Le Dr Godec a ajouté :« Les phénomènes de relaxation thermique ont toujours été un sujet de recherche important dans le groupe (ce sont des problèmes difficiles en physique hors équilibre). Cependant, des questions spécifiques sur l'asymétrie de chauffage et de refroidissement ont été initialement provoquées par l'intuition mathématique. je ne m'attends pas à ce que la réponse soit aussi frappante."
Au niveau microscopique, le chauffage et le refroidissement sont des processus impliquant l'échange et la redistribution d'énergie entre les particules individuelles d'un système.
Dans le contexte des recherches récentes, l'accent est mis sur la compréhension de la dynamique des systèmes microscopiques soumis à une relaxation thermique :comment ces systèmes évoluent lorsqu'ils sont soumis à des changements de température.
Lors du chauffage, de l'énergie est injectée dans chaque particule d'un système, entraînant une intensification du mouvement des particules. Cela les amène à bouger plus vigoureusement. Plus la température est élevée, plus le mouvement brownien (ou aléatoire) de ces particules est intense en raison des collisions accrues avec les molécules d'eau environnantes.
D’un autre côté, le refroidissement au niveau microscopique implique la libération d’énergie des particules individuelles, ce qui entraîne un amortissement de leur mouvement. Ce processus correspond à une perte d'énergie du système, entraînant une diminution de l'intensité du mouvement des particules.
"Notre travail est consacré à l'analyse de l'évolution d'un système microscopique après qu'il ait été éloigné de l'équilibre. Nous considérons la thermalisation d'un système microscopique, c'est-à-dire comment un système à une température donnée évolue jusqu'à la température d'un bain thermal. est mis en contact", a expliqué le Dr Godec.
Professeur Alarcón. "Un exemple clair serait de sortir un objet d'un bain d'eau bouillante (à 100 degrés Celsius) et de l'immerger dans un mélange d'eau et de glace (à 0 degrés Celsius)."
"Nous comparons la vitesse à laquelle le système s'équilibre avec le protocole inverse lorsque l'objet est initialement dans le bain froid et chauffé dans l'eau bouillante. Nous observons qu'à l'échelle microscopique, le chauffage est plus rapide que le refroidissement, et nous expliquons cela théoriquement en développant un nouveau cadre que nous appelons cinématique thermique."
Les chercheurs ont utilisé un dispositif expérimental sophistiqué pour observer et quantifier la dynamique des systèmes microscopiques soumis à une relaxation thermique. Au cœur de leur expérimentation se trouvaient des pinces optiques :une technique puissante utilisant la lumière laser pour capturer des microparticules uniques de silice ou de plastique.
"Ces petits objets se déplacent de manière apparemment aléatoire en raison des collisions avec les molécules d'eau, exécutant ce que l'on appelle le mouvement brownien alors qu'ils sont confinés dans une petite région par des pincettes. Plus la température de l'eau est élevée, plus le mouvement brownien est intense. sera dû à des collisions plus fréquentes et intenses avec les molécules d'eau", a expliqué le professeur Alarcón.
Pour induire des changements thermiques, les chercheurs ont soumis les microparticules confinées à des températures variables. Ils ont soigneusement contrôlé la température de l'environnement à l'aide d'un signal électrique bruyant, simulant un bain thermal.
"Notre dispositif expérimental nous permet de suivre le mouvement de la particule avec une précision exquise, donnant accès à ces dynamiques jusqu'alors inexplorées", a déclaré le Dr Godec.
En manipulant la température et en observant les mouvements qui en résultent, l'équipe a rassemblé des données cruciales pour comprendre les subtilités du chauffage et du refroidissement à l'échelle microscopique.
Le développement du cadre théorique (cinématique thermique) a joué un rôle central dans l'explication des phénomènes observés. Ce cadre combinait les principes de la thermodynamique stochastique (une généralisation de la thermodynamique classique aux trajectoires stochastiques individuelles) avec la géométrie de l'information.
"En définissant la distance et la vitesse dans l'espace des distributions de probabilité, nous avons effectué des preuves mathématiques en utilisant des méthodes d'analyse pour montrer que l'effet est général", a expliqué le Dr Godec.
La cinématique thermique a fourni un moyen quantitatif pour élucider l'asymétrie observée entre les processus de chauffage et de refroidissement. Cela a permis aux chercheurs non seulement de valider les prédictions théoriques, mais également d'explorer la dynamique entre deux températures quelconques, révélant un modèle cohérent de chauffage plus rapide que le refroidissement.
Le professeur Alarcón et le Dr Godec ont découvert une asymétrie inattendue dans les processus de chauffage et de refroidissement. Dans un premier temps, visant à vérifier expérimentalement une théorie proposée par leurs collègues de l'Institut Max Planck, les chercheurs ont découvert que l'asymétrie s'étendait au-delà de plages de température spécifiques, ce qui était vrai pour le chauffage et le refroidissement entre deux températures quelconques.
Les implications de cette asymétrie s'étendent aux moteurs thermiques browniens, des machines microscopiques conçues pour générer un travail utile à partir des différences de température.
"Comprendre comment un système se thermalise avec différents bains thermaux peut optimiser le processus de production d'énergie. Le temps d'équilibrage devient un paramètre clé pour concevoir avec précision les protocoles opérationnels de l'appareil", a expliqué le professeur Alarcón.
Bien qu'il n'existe aucune application pratique immédiate, les chercheurs envisagent une efficacité accrue dans les micromoteurs, le transport de marchandises à micro-échelle et les matériaux qui peuvent s'auto-assembler ou s'auto-réparer.
Les implications plus larges suggèrent des contributions au développement de nouvelles théories générales pour la dynamique des systèmes browniens éloignés de l'équilibre.
"Nous nous attendons à ce que l'effet ne se limite pas aux perturbations thermiques, aux trempes de composition, etc., et présentera probablement des asymétries analogues. À ce stade, il est trop tôt pour faire des déclarations sur ces situations, mais nous y réfléchissons certainement déjà." ", a ajouté le Dr Godec.
Le professeur Alarcón a conclu en disant :« Nous visons à élargir nos découvertes à divers protocoles et systèmes, en menant des expériences impliquant de petits groupes de particules en interaction et des systèmes avec une symétrie d'inversion du temps brisée. Faire progresser la compréhension théorique et le contrôle mathématique des phénomènes stochastiques non auto-adjoints. systèmes est crucial pour cette direction. Notre stratégie actuelle implique le développement simultané d’expériences et de théories. "
Plus d'informations : M. Ibáñez et al, Le chauffage et le refroidissement sont fondamentalement asymétriques et évoluent selon des voies distinctes, Physique de la nature (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02269-z
Informations sur le journal : Physique de la nature
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