Jak měřit teplotu nerovnovážných systémů? Kredit: Charles Stafford / Abhay Shastry / UA.

Pro leckoho asi bude těžké uvěřit, že přes sestavení mnoha komplikovaných teorií, které popisují fungování světa, se fyzici vlastně ještě neshodli, jak vlastně funguje něco tak úplně základního, jako je měření teploty. Představte si například, že na naše Slunce spadne pořádný ledovec. Za nepatrný okamžik se rozpustí a vypaří, to bezpochyby. Jenže jakou má teplotu těsně předtím, něž k tomu dojde? Podle fyzika Charlese Stafford z Arizonské univerzity na tuhle vcelku základní otázku soudobá fyzika vlastně nenabízí smysluplnou odpověď.

Charles Stafford. Kredit: University of Arizona.

Problém je totiž v tom, že podle tradičních postupů a výpočtů se veličiny jako je teplota nebo třeba napětí měří pouze tehdy, když je měřený systém v rovnováze. A ledovec, který se právě srazil se Sluncem, rozhodně v rovnováze není. Podle Stafforda je vysvětlení prosté Ačkoliv pro mnohé může být šokující, že takhle základní veličiny jsou matematicky definovány jen a pouze pro systémy v rovnováze, teplota a napětí jsou veličiny popsané v 19. století. Stafford k tomu dodává, že ve skutečnosti samozřejmě žádné reálné systémy v rovnováze nejsou, takže měříme teplotu (a napětí) u systémů, pro které nejsou definované. Jedinou výjimkou by snad podle Stafforda mohla být tepelná smrt vesmíru, pokud k ní za nepředstavitelně dlouhou dobu doopravdy dojde. Do té doby si ale na rovnováhy jenom hrajeme a neměli bychom na to zapomínat.

Abhay Shastry. Kredit: University of Arizona.

Stafford a doktorand Abhay Shastry, rovněž z Arizonské univerzity, se rozhodli prozkoumat, jak to s teplotou vlastně je. Pohráli si s matematickým modelováním, a pak o tom se sepsali článek do časopisu Physical Review B. Dospěli v něm k názoru, teplota a napětí jsou navzájem tak těsně propojené veličiny, že nelze znát jednu a druhou nikoliv. A také dali dohromady novou teorii.
Jak vyplývá z druhého termodynamického zákona, entropie, čili míra neuspořádanosti systému, má sklon narůstat. Je to vidět, když na kostce ledu vhozené do drinku nebo na dětském pokoji, který je ponechán bez dozoru. Jak je to ale s teplotou? Příklad s ledovcem na Slunci je sice v zásadě realizovatelný, ale v běžném životě se s něčím takovým nesetkáváme. Většina z nás ale určitě zná někoho, kdo vlastní nějaké laserové ukazovátko. A takové laserové ukazovátko, to je vlastně tepelné peklo do kapsy. Po zapnutí laserového ukazovátka totiž elektrony v tomto zařízení dosáhnou teploty, kterou běžná fyzika hodnotí jako „plus nekonečno“. I kdyby někdo vypařil vodu v nitru Slunce, tedy při milionech stupňů Celsia, tak stále nebude tak horká, jako elektrony v laserovém ukazovátku.

V každém laserovém ukazovátku se ukrývá tepelné peklo elekronů. Kredit: Netweb01 / Wikimedia Commons.

Vtip je v tom, že teplota elektronů je kvantový fenomén a nemá moc co do činění s teplotou samotného laserového paprsku nebo snad pouzdra laserového ukazovátka. Jak ostatně ukazuje každodenní zkušenost, laserové ukazovátko se obvykle ihned po zapnutí nevypaří. Shastry to vysvětluje tak, že laserové ukazovátku je příklad systému, který je velice daleko od rovnovážného stavu. Mnohem dál, než třeba takové počasí. Právě počasí a podobné jevy jsou poháněné tepelně, tedy rozdíly teplot. Polovodičová a elektronická zařízení jsou ale poháněná elektřinou, a mohou se dostat do mnohem více nerovnovážných stavů, nežli tepelné systémy. 
Proč bychom se měli zajímat o teplotu nerovnovážných systémů? Podle Stafforda dnešní mikroelektronika naráží na problémy s teplem, které vzniká při provozu takových systémů. Stafford a Shastry ukazují, že teplotu vlastně lze dobře definovat i na subatomární úrovni. Díky tomu teď bude možné důmyslně manipulovat s teplotou jednotlivých komponent mikroelektroniky nepatrných rozměrů. V blízké budoucnosti můžeme také čekat teploměry pro měření teploty na úrovni jednotlivých atomů nebo třeba pokrok v magnetické rezonanci.
Stafford a Shastry vytvořili teorii měření teploty a napětí ve výrazně nerovnovážných kvantových systémech, kterou lze aplikovat velmi obecně. Funguje na kvark-gluonové plazma v urychlovači částic, na vnitřek neutronové hvězdy, a dokonce i v laserovém ukazovátku. Kromě toho také přinesli historicky první důkaz pro verzi druhého termodynamického zákona, kterou v roce 1931 formuloval norský fyzikální chemik a držitel Nobelovy ceny za chemii Lars Onsager, a která se týká termoelektrických procesů. 

Video:   Using nanotechnology to convert waste heat into electricity / Charles Stafford

Literatura
University of Arizona 22. 12. 2016, Physical Review B 94: 155433, Wikipedia (Second law of thermodynamics).



<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/BG8LYEqNmqk" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>