Фізики зібрали пристрій, який охолоджується за рахунок власного теплового випромінювання.
Коли чай або кава занадто гірка, то завжди можна поставити кухоль з напоєм на стіл і почекати деякий час, поки напій не охолоне. Однак може статися так, що про свій чай ви забудете, а через пару годин з сумом виявите, що температура рідини у вашій улюбленій гуртку за цей час встигла прийти в рівновагу з температурою навколишнього середовища. Але такого, щоб залишений у кімнаті чай раптом перетворився на лід, не буває - адже це суперечить законам термодинаміки. Чи все-таки буває?
Фізики з Массачусетського технологічного інституту нещодавно зібрали простий пристрій, який без споживання зовнішньої енергії зміг сам себе охолодити на кілька градусів нижче температури навколишнього повітря. Для цього дослідникам навіть не довелося користуватися допомогою демона Максвелла, який, як відомо, всупереч законам термодинаміки «здатний» сортувати «гарячі» і «холодні» молекули і тим самим робити холодні тіла холоднішими, а гарячі - гарячішими. Щоб зрозуміти, як таке можливо, давайте подивимося, які існують канали обміну теплом між узятим предметом і навколишнім середовищем.
Предмет може віддати або отримати тепло за рахунок контакту з навколишнім середовищем та іншими предметами. Той же гарячий чай в гуртку спочатку передає тепло гуртку, а кухоль, в свою чергу, нагріває стіл, на якому вона стоїть, і повітря, з яким вона стикається. Але є ще один спосіб передачі тепла - це випромінювання. Всі нагріті тіла випромінюють електромагнітні хвилі певного діапазону. Людське око не може бачити цю частину спектру, тому, якщо ми хочемо подивитися, як виглядає тепло, доводиться користуватися спеціальними приладами: тепловізорами. Або ж можна відчути тепло, просто піднісши руку ближче до джерела, наприклад, до запаленого каміна.
Повертаючись до нашого гуртка, зазначимо, що вона, як і камін, нехай і не так інтенсивно, але буде випускати інфрачервоне випромінювання, втрачаючи при цьому енергію і, як наслідок, охолоджуючись. Але її тіла, в тому числі повітря, також можуть випромінювати тепло. Тому, обмінюючись енергією, всі об'єкти з плином часу приймають однакову температуру, або як ще кажуть, настає термодинамічна рівновага. Тут потрібно відзначити ще один важливий момент: теплове випромінювання погано поглинається повітрям, образно кажучи, воно, як і промінь світла, може проходити великі відстані. Тобто нагрітий об'єкт буде, як ліхтарик, світити теплом і передавати його тим об'єктам, до яких це випромінювання дійде. А що буде з об'єктом, якщо його надійно теплоізолювати від навколишнього середовища, залишивши лише можливість «світити», образно кажучи, в космос? Відповідь проста: він буде втрачати енергію і охолоджуватися до тих пір, поки потік тепла, що сумарно надходить до тіла, не стане рівним потоку тепла, що випромінюється тілом.
Саме такий пристрій зібрали фізики з простих матеріалів, використавши мідний диск як випромінювач, фольгу і полімерну плівку як теплоізолюючі елементи, а на шляху прямих сонячних променів поставивши дзеркало. Конструкція змогла підтримувати температуру мідного диска приблизно на 6 ° нижче температури навколишнього повітря. Що характерно, експеримент відбувався в сонячний день, оскільки в похмуру погоду, атмосфера сама буде працювати «нагрівачем», не даючи об'єкту сильно охолоджуватися.
За матеріалами Nature Communications.