Magie termodynamiky dokáže chladit bez spotřeby energie  
Nový výtvor fyziků zdánlivě popírá druhý termodynamický zákon. Jde o technologii, která přinutí teplo plynout od chladnějšího objektu k teplejšímu, aniž by k tomu potřebovala zdroj energie.

Magie termodynamiky. Kredit: A. Schilling.
Magie termodynamiky. Kredit: A. Schilling.

Když postavíte šálek s čerstvě uvařenou kávou na stůl, tak tam postupně chladne. Teplota kávy v takovém případě obvykle neklesne pod teplotu stolu. Je to každodenní zkušenost, která těsně souvisí s druhým termodynamickým zákonem, podle něhož teplo může proudit jen od teplejšího objektu ke chladnějšímu.

 

Jenomže fyzici svoje zákony rádi porušují. Tým švýcarské Universität Zürich vyvinul překvapivě jednoduché zařízení, které je jako termodynamický zázrak. Dokáže přimět teplo, aby dočasně proudilo od chladnějšího objektu k teplejšímu, aniž by k tomu bylo nutné dodávat energii. Chladnější objekt se při tom ještě více ochlazuje. Takový proces na první pohled zásadně porušuje fyzikální zákony.

Andreas Schilling vpravo. Kredit: Universität Zürich.
Andreas Schilling vpravo. Kredit: Universität Zürich.


Jakoby Andreas Schilling a jeho kolegové zcela ignorovali druhý termodynamický zákon. Povedlo se jim ochladit kousek mědi o váze 9 gramů z teploty přesahující 100 °C, znatelně pod pokojovou teplotu. A nepoužili k tomu žádný vnější zdroj energie. Podle Schillinga by jejich zařízení teoreticky mohlo zmrazit vroucí vodu na led, aniž by potřebovalo dodávat energii.

 

Schilling a spol. ve svém zařízení využili takzvaný Peltierův článek, který se obvykle používá ke chlazení elektroniky v řadě různých aplikací. Funguje tak, že vlastně přeměňuje elektrický proud na teplotní rozdíly. Badatelé vytvořili termální oscilující obvod, v němž proudění tepla mění směr. Doposud tento obvod používali společně se zdrojem energie. Teď to ale dokázali i pasivně, tedy bez vnějšího zdroje energie.


Peltierův článek. Kredit: Bye~commonswiki / Wikimedia Commons.
Peltierův článek. Kredit: Bye~commonswiki / Wikimedia Commons.

Jak Schilling s kolegy zdůrazňují, jejich experiment ve skutečnosti samozřejmě neporušuje druhý termodynamický zákon. Když badatelé sledovali celkovou entropii jejich systému, tak v průběhu času vzrůstala, přesně jak požaduje zmíněný termodynamický zákon. Schillingův tým dosáhl jen asi 2 °C rozdílu teploty oproti teplotě okolí. Bylo to prý způsobeno hlavně technologickým omezením použitého komerčního Peltierova článku: Schilling je přesvědčen, že by se stejný postupem a za stejných podmínek bylo s „ideálním“ Peltierovým článkem možné dosáhnout až mínus 47 °C. Jejich technologie zvládne ochladit jak horké pevné látky, tak i kapaliny nebo plyny, aniž by k tomu potřebovala dodatečnou energii.

 

Technologie ochlazování bez energie funguje. Do praktického využití má ale podle Schillinga ještě hodně daleko. Jedním z hlavních důvodů je to, že soudobé Peltierovy články nejsou příliš účinné. Zařízení rovněž využívá supravodivé materiály, aby nedocházelo ke ztrátám elektrického proudu. Pokud se ale vědcům a inženýrům postupně podaří technologii vyladit, tak by se mohla dočkat mnoha pozoruhodných aplikací.

Literatura

Universität Zürich 19. 4. 2019, Science Advances 5: eaat9953.

Datum: 24.04.2019
Tisk článku

Kvantový moment - Crease Robert P., Goldhaber Alfred Scharff
 
 
cena původní: 350 Kč
cena: 294 Kč
Kvantový moment
Crease Robert P., Goldhaber Alfred Scharff
Související články:

Levitující nanočástice dočasně porušuje 2. termodynamický zákon     Autor: Stanislav Mihulka (07.04.2014)
Jak obrátit čas s kvantovým počítačem?     Autor: Stanislav Mihulka (15.03.2019)
Komentář ke hmotnosti zvuku     Autor: Pavel Brož (17.03.2019)
Kvantová kouzla: Kvantové měření může chladit     Autor: Stanislav Mihulka (17.03.2019)



Diskuze:

Moje maximálně dosažitelné ručení pro zapůjčení heliového kryostatu se supravodivými tlumivkami nestačilo ani na pojištění kapalného He v něm obsaženém. Vyřešil jsem tedy švýcarskou metodikou případ seriového zapojení jimi použitého peltiera jako tepelný

Josef Hrncirik,2019-05-05 14:30:42

10:10.1126/sciadv.aat9953
Časová konstanta 1 cm3 Cu na jejich /ruských/ peltierech tepelné vodivosti 0,0318 W/K je cca 156 s. Z jejich odporu 0,22 OHM a jimi udaného Z295 = 0,432 vyšel Seebeck 3,2 mV/K a numerickou integrací jejich švýcarsky jednoduchých rovnic bilance tepla v krychličkách na peltierech položených na masivní 4,6 kg Cu desce pokojové teploty; bez nutnosti zjednodušování vynecháním malých členů je 2. krychlička ochlazena na jejich 1,7°C pod pokojovou teplotu již po cca 48 s a o cca 2,7°C po cca 153 s oproti cca 600 s se supravodivými tlumivkami.

Vlivem nutných ztrát v reálné konstrukci peltiera nedosahují Z295 ani zdaleka blízko 1 udávané pro samotný použitý termoelektrický materiál Bi2Te3 a kvůli vazbě mezi nutnou el. vodivostí a potlačovanou tepelnou se je asi ani nepodaří připravit.

Buy helium and publish in Science Advances or perish!
By, by!

Odpovědět


motor ženoucí druhého hnaného pak jako tepelné čerpadlo na druhé krychličce původně pokojové teploty. Na masivní Cu desce lze ušetřit výměnou za 2 kg Al

Josef Hrncirik,2019-05-05 14:41:56

Odpovědět

Je TO skutečně precizní švýcarská práce které na 1. pohled nelze nic vytknout, navíc je to srozumitelně popsáno a experimentálně ověřeno

Josef Hrncirik,2019-04-27 21:55:49

Jsou to však přesné a trvanlivé švýcarské hodinky, které se samy každodenně natahují pouhým 1 Vaším prudkým direktem do zdi.
Tato švý carská lednička dokáže ochladit krychličku 9 g mědi položených na Peltierově chladiči TB-7-1.4-2.5 Kryotherm inc. položeném na 2,6 kg měděné desce 20x10x2cm (4,6 kg). Pokud krychličku zahřejeme na 100°C a položíme na peltiera zkratovaného supravodivou tlumivkou 60 H v kapalném He s přívody mají jen cca 40 mOHM a počkáte si pouhých 11 minut, krychlička se ochladí až 1,7°C pod teplotu místnosti cca 23°C. Supravodivá tlumivka 60 H sice vyžaduje cca metrový pojízdný kontejner s kapalným He, ale dá se snadno nahradit elektronickým obvodem gyrátorem, který má určitě menší spotřebu než provoz kryostatu. To vlastně ani nehraje žádnou roli, protože teoreticky kryostat ani gyrátor? žádnou energii nemusí spotřebovávat. Asi jde jen o zabírání místa v laboratoři a pro nájmy.
Patentový právník suše konstatuje, že chladící výkon pod teplotu místnosti je cca 9 g Cu*0,384 J/K*1,7 K / 660 s = 8,9 mW a že na čerpání tepla se nespotřebovala žádná energie a tedy COPc je jasně bezkonkurenční oo.
Technik konstatuje, že po 11 minutě peltier čerpá teplo aktuální rychlostí z rozdílu teplot 1,7K na peltierovi s tepelnou vodivostí 31,8 mW/K tj. 54 mWth proudem cca 0,22 A z tlumivky, tj. na odporech peltier 0,22 OHM + přívod 40 mOHM se také ztrácí 54 mWth a COP je po dlouhé době aspoň 1.
Zákazník řekne že to jakž takž chladí cca 660 s o 0,7°C s COPc cca 1, ale kvůli prostojům je COPc jen cca 0,5.
Carnot mu okamžitě nabízí pro tento případ COPc = 294/0,7 = 420, ale Švýcaři povykují zcela správně, že na čisté oo to ani zdaleka nemá.
Termodynamik porovná skutečné hnací toky entropií (exergií) pro tento jednoduchý průměrný případ je COPc Carnot = ln(397/295)/ln(295/(295-0,7) = 125
V DOI 10.13140/RG.2.1.2923.8805 z února 2016 pro COPc mezi 0°C a 21°C ve fig. 24 má peltier chladnička kolem 0,3; 2-3x menší než mechanické.
Použitelné jsou spíše jen pro militaristické senzory;
vědecké review je 10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074
nejlepší uvedené COPc = 0,56
Švýcaři se zahazovali s ZT = 0,43 a ještě se trmáceli s metrovým He kryostatem .
Při malých ZT je COPc menší než 1 (i při pokojové teplotě a ZT = 1)

Odpovědět

....

Jan Balaban,2019-04-25 10:09:53

Prečo dočerta používajú na chladenie notebookov sprostý ventilátor a nepoužívajú peltierov článok, alebo aspoň zadnú stranu displeja, ktorá je ideálnym miestom na chladenie.

Odpovědět


Protože ví, jak peltierův článek funguje

Vojta Ondříček,2019-04-25 22:48:14

Je to dočerta vážně míněný dotaz, nebo mne taháte za fusekli?

Vemu na sebe riziko tahání dřeva do lesa.

Takže, ten peltíerův článek potřebuje dost velký příkon na přemisťování tepla (tepelné energie, jasan?) z jedné strany článku na druhou stranu článku. Prakticky to může vypadat tak, že když chci odvést tepelný výkon (třeba CPU) 20W s teplotní gradací 20K, tak musím dodat 20W elektrické energie. Ta CPU může mít na styčné ploše s peltierem 30°C, a peltier na té druhé (horké) ploše 50°C. Tak odvádí peltíer 20W z CPU na vnější chladič, který musí "uchladit" 20W + 20W = 40W s teplotním rozdílem 50°C - okolní teplota. Tenhle chladič dostane pak ventilátorek, aby těch 40W rozfoukal po pokoji.

V notebůku je několik funkčních jednotek, které spotřebovávají relativně mnoho el. energie a produkují odpadní teplo. To je ta CPU, pak grafický block a pochopitelně měniče napětí z akumulátorového na to potřebné (např. 12V, 5V 3,3V a 2,7V podle potřeby). Tyto a ostatní komponenty jsou umístěny na základní desce a tato by musela být umístěna podle vašeho návrhu na zadní stranu displaye, Tím by tato část NB nabyla mohutně na váze a na tloušťce a NB by měl snahu se svalit na "záda".

Odpovědět


Re: Protože ví, jak peltierův článek funguje

Josef Hrncirik,2019-04-26 07:51:56

Vypadá to dočerta rozumně. Teplotní rozdíl mezi dvojicí vhodných až polovo divých materiálů mezi nimi vyvolá pochopitelně tepelný tok a částečně nepochopitelně i napěťový gradient (a tedy napěťový rozdíl).
Uzavřením obvodu dojde ke spřažení (slabému) mezi tepelným tokem (ztraceným) a generovaným elektrickým proudem (napětím (počertech malými)).
Naopak vynucený silný proud potom vyvolá v přechodech mezi vhodnými materiály prapodivně i měřitelné teplotní gradienty (a tudíž toky) a Peltier o tom může napsat článek.
Carnot by k tomu řekl, že k čerpání 20 W tepla z 30°C do 50°C jeho stroj má COPc = (30+273)/20 = 15 a toto čerpání by vyžadovalo pouze 0,75 W el. práce (výkonu) a při 50°C by musel odvádět pouze 20,75 W tepla. Peltierův COPc je jen mizerných 20 Wth/20 Wel = 1.
Svalil by se na záda a spal by klidně dál.
Peltier potom 1. článek žíhal z jedné strany samodujnou lampou, z druhé strany ho chladil ledem. Vzniklým proudem přiváděným do 2. článku si chladil pivo místo obvyklým vhazováním řádně vymraženého ledu. Ráno si takto příliš horkým čajem chladil polední pivo.

Odpovědět


Re: Re: Protože ví, jak peltierův článek funguje

Josef Hrncirik,2019-04-26 09:34:06

Pokud Peltier měl článek na teplé straně v čaji 50°C a na studené straně v pivu 30°C
z něj odebíral tepelný tok obligátních 20 W,
jaký vnitřní odpor jeho termoelektrický sloup asi měl?
Jaké poskytoval napětí naprázdno a proud nakrátko?
Co kdyby 7°pivo nemělo 30°C, ale též jen 7°C.
Co je lepší 30° pivo 30°C nebo 7° při 7°C?

Odpovědět


Protože hostinský Peltier chladí pivo oproti hostinskému Carnotovi jen s cca 3,4% efektem, lze očekávat že tak málo se osvědčí i jako tepelný motor.

Josef Hrncirik,2019-04-26 16:36:24

Místo Carnotovských cca 750 mW by při reverzním chodu Peltier odváděl jen 3,6% Carnota, tj. cca 23 mW elektrických, které by průchodem dalším Peltierem odebraly z piva 30°C snad oněch cca 23 mW do tropických 50°C.
Kdyby 2. peltier byl na vzduchu změna teploty mezi jeho teplou a studenou stranou by se dala změřit či vidět termokamerou či ze změny jeho odporu či napětí na něm.
Pravděpodobně to ani Švýcaři nedokázali změřit, či se nebylo čím chlubit.
Nekupte to!
Carnot mezi vařící vodou a stolem vyvolá entropický (exergický) tok úměrný ln(373/293) = 0,31; který může hnát tok mezi 293K a 214K protože ln(293/215) = též 0,31
Zpočátku by tedy 100°C mohlo hnát chlazení 20°C okolí do -78°C.
Ideální peltier prý by to prý podle švýcarů dal jen na -47°C. ln(293/226)= 0,26; potom ideální peltier by měl efektivitu cca 84% Carnota a měl by mezi pivem a čajem vypotit cca 620 mW el.
Na chlazení procesoru 20W 30/50°C by mu pak stačilo 904 mW a jeho COPc by bylo krásných 20,9/0,904 = 23
Více takových Peltierů a nebude zapotřebí kovových svalů. Stačí švýcarská kovová mysl.

Odpovědět


Re: Protože ví, jak peltierův článek funguje

Alexandr Kostka,2019-04-26 15:30:51

Jeden čas (konkrétně v době, kdy byl supervýkonným procesorem tak athlon na 700 mhz) se peltierovy články i používaly. U stolních pc. Ale nějak se to neprosadilo. V současnosti je snad jediné komerční využití u vitrínek na víno, kde by vadily otřesy od kompresoru.

Odpovědět


Re: Re: Protože ví, jak peltierův článek funguje

Vojta Ondříček,2019-04-26 18:50:49

Peltierovy články jsou potřebné na tepelnou regulaci některých teplotně kritických komponentů, jakými mohou být například zdroje referenčního napětí. Výhodou P.E. je realativně vysoká spolehlivost a bezprostředná reakce potřebná na udržení konstantní teploty.

Na úspěšné chlazení elektronických komponentů s výsokými energetickými ztrátami (na omezeném prostoru) se používají buď vodní chladiče a nebo takzvaná Heatpipe.

Odpovědět

Není náhodou Peltierův článek vlastně o thermočlánku znásilňovaném brutálním režimem?

Josef Hrncirik,2019-04-25 09:04:25

Odpovědět

Nic zvláštního

Václav Dvořák,2019-04-24 23:28:32

Pokud by předmět měl stejnou teplotu jako okolí a ochladil se bez vnějšího zásahu (třeba čerpal energii z nějakého kvantového jevu), pak by to byl skutečný div. Třeba by se pak mohlo říct, že to využívá temnou energii nebo něco takového :)

Ale takhle to vidím tak, že část energie ohřátého předmětu vůči okolí byla naakumulována a následně využita k d/ochlazení Peltierovým článkem. Čili je to v podstatě něco jako tepelné čerpadlo. Pokud už nějak získáme teplotní gradient, tak můžeme jakoby dělat divy, ale o žádný fyzikální převrat nepůjde...

Odpovědět

Tento objev již přímo visel ve švýcarském vzduchu. Mám dojem, že nedávno si v referendu zrušili návrhy na nepodmíněný příjem, prodloužení zákonné dovolené či ekvivalentní zkrácení pracovní doby.

Josef Hrncirik,2019-04-24 21:45:47

Jsou schopni objevit i tepelný akumulátor spojený přes Stirligův motor s ledničkou.

Odpovědět

článek a akumulátor

Novák Jiří,2019-04-24 16:46:21

Z toho schématu s rezistorem a kondenzátorem jsem moc nepobral, ale snad by neměl být problém vzít TEG (tedy ne TEC, jak jsem vyrozuměl z článku), přiložit na něj teplé těleso a nabít akumulátor. Až se rozdíly teplot vyrovnají, použil by se TEG jako TEC a těleso by se ochladilo pod teplotu okolního prostředí. Nějaké oscilace by tam vůbec nemuselo být zapotřebí, nebo se pletu?

Odpovědět


Re: článek a akumulátor

Novák Jiří,2019-04-24 16:51:00

Zbývá dořešit praktickou otázku - k čemu potřebujeme podchladit těleso, které jsme ještě před chvílí ohřívali?

Odpovědět


Re: Re: článek a akumulátor

Malomestak Veliky,2019-04-25 18:17:58

Napadá mě například výroba mražených potravin? Chlazení totálně rozpáleného auta?

Odpovědět


Re: článek a akumulátor

Malomestak Veliky,2019-04-24 18:37:14

Na tom schématu je pokud se dobře dívám taky cívka a ta nejspíš tvoří ten akumulátor - vypadá to o dost jednodušeji než řízené chlazení (otázku efektivity ponechám stranou).

Odpovědět


Re: Re: článek a akumulátor

Novák Jiří,2019-04-24 18:49:40

Jo, vidím cívku a píšu kondenzátor... ostuda. No nic. Ale stejně bych myslel že kondenzátor nebo akumulátor bude mnohem účinnější, ne? A tělěso by mělo být v nějaké odizolované komoře, aby vydávalo teplo pokud možno jen jedním směrem - přes ten TEG.

Odpovědět


Re: Re: Re: článek a akumulátor

Malomestak Veliky,2019-04-24 18:56:05

Myslím si že kondenzátor by nebyl optimální protože to celé pracuje v proudovém režimu. A myslím že takhle jednoduchá věc bude celkem efektivní, i když je jasné že řízení by tomu určitě ještě pomohlo. Tohle zase vypadá celkem elegantně na to co to umí.

Odpovědět


Nehrozí, že se: R, k, tt, L, I stanou ochlazením supravodivými?

Josef Hrncirik,2019-04-24 21:54:48

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace