違反熱力學定律？瑞士科學家研究出不需耗電的冷卻方法
違反熱力學定律？瑞士科學家研究出不需耗電的冷卻方法
EA 05/05/2019 明日科學
以熱振盪電路冷卻的概念示意圖 / Credit: A. Schilling, A.C. Mangham
蘇黎世大學（University of Zurich）的物理學家開發了一種非常簡單的裝置，可以在沒有外部供應能量的情況下，使熱量暫時從冷的物體流到較暖的物體。有趣的是，這個過程似乎與物理學的基本定律相矛盾。熱力學第二定律表明，熱量在無造成其他影響的自然狀態下，只能從溫度高流向溫度低的物體。
既有元件創造出新的可能
蘇黎世大學物理系安德烈亞斯·席林教授（Andreas Schilling）的研究團隊進行一項實驗，在不提供外部電源的情況下，成功將一塊 9 克重的銅從 100℃ 以上冷卻到室溫以下。為實現此目標，研究人員使用致冷晶片（Peltier Element），這種熱電效應元件可以將電流轉換為溫差，常用來冷卻旅館房間的迷你冰箱。
研究人員已經在之前的實驗中將致冷晶片與電感器（electric inductor）串聯，以在兩個物體間產生不斷改變熱流動方向的振盪「熱流」（heat current）。在這種情況下，熱量也會暫時從較冷的物體流向較暖的物體，讓較冷的物體進一步冷卻。這種「熱振盪電路」如同作出一個「熱電感器」，它以與電振盪電路相同的方式運作，只是電振盪電路是電壓以不斷變化的方向振盪。
研究團隊原先只用電來操作這些熱振盪電路。現在研究人員首次表明，這種熱振盪電路也可以在沒有外部電源的情況下運行，一段時間後，熱量直接從較低溫的銅流向 22℃ 的周遭環境。
研究團隊表示這個過程實際上並不違反任何物理定律，因為整個系統的熵（entropy）會隨著時間的推移而增加，因此完全符合熱力學第二定律。
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理想與現實的落差
因為商用致冷晶片的性能限制，實驗中僅讓銅塊冷卻至低於環境溫度約 2℃。根據席林教授的說法，理論上使用「理想的」致冷晶片，可以在相同條件下實現 -47℃ 的冷卻，當然這種晶片尚未發明。
席林教授表示：「理論上，這種實驗裝置可以不使用任何能量，就能將沸水冷卻成冰。透過這種非常簡單的技術，許多的固體、液體或氣體材料都可以冷卻到遠低於室溫，又不會消耗任何能量。」
無需供電的被動熱電路看似隨處都可應用，然而，席林教授承認，該技術的大規模應用還有很長的路要走。其中一個原因是目前可用的熱電效應元件效率不高。此外，實驗中的配置需要使用超導電感器，以盡量減少電力的損耗。
席林教授認為這項研究的重要性不僅是驗證原理，此實驗似乎是一種熱力學魔術，挑戰我們對熱流動的既定看法。 |
