Физики собрали устройство, которое охлаждается за счёт собственного теплового излучения
Представим себе какой-нибудь горячий предмет, например, только что налитую чашку чая. С течением времени эта чашка охлаждается, и так происходит до тех пор, пока её температура не сравняется с температурой окружающей среды. В дальнейшем предмет не будет охлаждаться, что объясняет такая наука, как термодинамика. Однако американские учёные нашли способ «обойти» этот принцип. Они собрали очень простое устройство, которое может охлаждать себя до температуры ниже окружающей среды. При этом они даже обошлись без так называемого демона Максвелла (так называют перегородку в воображаемом сосуде, «сортирующую» горячие и холодные молекулы и охлаждающую и нагревающую обе половины сосуда без поступления дополнительной энергии). Как же действует это устройство?
Чтобы в этом разобраться, необходимо вспомнить, как предметы обмениваются друг с другом тепловой энергией, например, в сухожаровом шкафу. Основной способ нам хорошо известен: к примеру, жидкость в чашке передаёт своё тепло самой чашке, а та передаёт его столу, на котором стоит, и окружающему воздуху, те передают его дальше – и так далее. Горячие тела передают своё тепло более холодным, но никак не наоборот. Но существует и ещё один способ обмена теплом – излучение. Все нагретые тела испускают электромагнитные волны. Это почти как свет, только лучи такого спектра человеческий глаз не способен воспринимать (это инфракрасные волны). Чтобы почувствовать тепловое излучение, достаточно поднести руку к нагретому предмету. Вблизи сильно нагретых тел (например, костра) тепловое излучение настолько сильно, что там невозможно находиться. Глазами тепловое излучение можно увидеть с помощью тепловизора.
Итак, кружка с чаем излучает некоторое количество электромагнитных волн и теряет при этом энергию, за счёт чего постепенно охлаждается. Но окружающие предметы тоже излучают волны и передают их кружке. Обмениваясь электромагнитными волнами, окружающие тела в конце концов приобретают одинаковую температуру – наступает термодинамическое равновесие. Кроме того, тепловое излучение плохо поглощается воздухом, поэтому тепловые волны, как и свет, могут в пустоте, заполненной только воздухом, распространяться на большие расстояния и поглощаться теми предметами, до которых они дотянутся. Эти свойства тепловой энергии и использовали учёные.
Они собрали своё устройство из медного диска, который служил излучателем, фольги и полимерной плёнки, служивших теплоизоляторами, и зеркала, поставленного для отражения прямых солнечных лучей. В результате установка сама излучала тепло, не получая его от окружающих предметов за исключением обычного теплообмена между соприкасающимися предметами. Измерения показали, что температура устройства держалась на шесть градусов ниже температуры окружающей среды. Это кажется нарушением физических законов, но на деле законы в данном случае продолжают соблюдаться. Дальнейшее охлаждение, конечно, оказалось невозможным, поскольку установка в данном случае излучала столько же энергии, сколько получала.
Любопытно, что эксперимент проводился во время солнечной погоды. Действительно, в пасмурную погоду атмосфера сама будет нагревать окружающие предметы, и тогда установка не сможет охлаждаться, как нужно.
Пока неизвестно, как может это открытие пригодиться на практике, но оно позволяет лучше понять тепловые явления.
