Miniticle Sains

Pendinginan tanpa Konsumsi Energi?

Fisikawan selalu merencanakan sesuatu yang aneh. Sekarang mereka telah mengembangkan perangkat sederhana yang mampu memfasilitasi panas mengalir sementara dari benda yang dingin ke benda hangat tanpa catu daya eksternal. Sekilas hal ini seperti bertentangan dengan beberapa hukum dasar fisika.

Jika kita menaruh teko berisi air mendidih di atas meja dapur, secara bertahap air akan mendingin. Pengalaman sehari-hari inilah yang menggambarkan salah satu hukum dasar fisika – hukum kedua termodinamika – yang menyatakan bahwa entropi sistem alam tertutup harus meningkat seiring waktu. Atau, lebih sederhananya: Panas dapat mengalir dengan sendirinya hanya dari benda yang lebih hangat ke benda yang lebih dingin, dan bukan sebaliknya.

Pendinginan di bawah suhu kamar

Hasil percobaan terbaru yang dilakukan oleh kelompok riset Prof. Andreas Schilling di Departemen Fisika di Universitas Zurich (UZH) untuk menantang hukum kedua termodinamika. Para peneliti berhasil mendinginkan sembilan gram tembaga dari lebih dari 100 ° C hingga secara signifikan di bawah suhu kamar tanpa catu daya eksternal. “Secara teoritis, perangkat eksperimental ini dapat mengubah air mendidih menjadi es, tanpa menggunakan energi apa pun,” kata Schilling.

Menciptakan arus panas berosilasi

Untuk mencapai hal ini, para peneliti menggunakan elemen Peltier, komponen yang biasa digunakan untuk mendinginkan minibar di kamar hotel. Elemen-elemen ini dapat mengubah arus listrik menjadi perbedaan suhu. Para peneliti telah menggunakan elemen jenis ini dalam percobaan sebelumnya, sehubungan dengan induktor listrik, untuk menciptakan arus panas berosilasi di mana aliran panas antara dua benda berubah arah secara terus menerus. Dalam skenario ini, panas juga mengalir sementara dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih hangat sehingga benda yang lebih dingin menjadi lebih dingin. Jenis “sirkuit berosilasi termal” ini pada dasarnya berisi “induktor termal“. Fungsinya dengan cara yang sama seperti sirkuit berosilasi listrik, di mana tegangan berosilasi dengan tanda yang terus berubah.

Hukum fisika tetap utuh

Sampai sekarang, tim Schilling hanya mengoperasikan sirkuit osilasi termal ini sebagai sumber energi. Para peneliti telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa rangkaian osilasi termal semacam ini juga dapat dioperasikan “secara pasif“, yaitu tanpa catu daya eksternal. Osilasi termal masih terjadi dan, setelah beberapa saat, panas mengalir langsung dari tembaga yang lebih dingin ke bak air panas yang lebih hangat dengan suhu 22 ° C, tanpa sementara diubah menjadi bentuk energi lain. Meskipun demikian, penulis juga dapat menunjukkan bahwa proses tersebut sebenarnya tidak bertentangan dengan hukum fisika. Untuk membuktikannya, mereka mempertimbangkan perubahan entropi seluruh sistem dan menunjukkan bahwa itu meningkat seiring waktu – sepenuhnya sesuai dengan hukum kedua termodinamika.

Aplikasi potensial masih jauh

Meskipun tim mencatat perbedaan hanya sekitar 2 ° C dibandingkan dengan suhu sekitar dalam percobaan, ini terutama karena keterbatasan kinerja elemen Peltier komersial yang digunakan. Menurut Schilling, secara teori dimungkinkan untuk mencapai pendinginan hingga -47 ° C dalam kondisi yang sama, jika elemen Peltier “ideal” – yang saat ini belum ditemukan – dapat digunakan: “Dengan teknologi yang sangat sederhana ini, besar sejumlah bahan padat, cair atau gas panas dapat didinginkan hingga di bawah suhu kamar tanpa konsumsi energi. “

Sirkuit termal pasif juga dapat digunakan sesering mungkin, tanpa perlu menghubungkannya ke catu daya. Namun, Schilling mengakui bahwa aplikasi skala besar dari teknik ini masih jauh. Salah satu alasannya adalah bahwa elemen Peltier yang tersedia saat ini tidak cukup efisien.

Ilustrasi dari aliran panas dalam koneksi dianggap termal antara benda dengan kapasitas panas C pada suhu T b dan benda lain atau reservoir termal di T r .
( A ) Jaringan listrik terdiri dari elemen Peltier (Π) dengan resistansi internal R dan termal konduktansi k di sirkuit tertutup dengan induktansi yang ideal L . Arus osilasi I pada akhirnya digerakkan oleh tegangan yang dipasok oleh efek termoelektrik karena perbedaan suhu antara ujung dingin dan ujung panas elemen Peltier, dan tegangan yang diinduksi L I.di L (lihat Persamaan 1A ). ( B ) Sketsa kontribusi individu untuk aliran panas (panah terbuka, panjang panah tidak untuk skala) dalam Persamaan. 1B dan 1C untuk situasi saat mengalir panas dari (diisi cahaya / panah kuning) atau (diisi panah gelap / ungu) akhir hangat dari elemen Peltier, ditarik untuk satu siklus osilasi T b ( t ), seperti digambarkan dalam Gambar 1 (B dan D). Osilator termal bertindak selama periode penuh siklus osilasi T b ( t) secara bergantian sebagai generator termoelektrik (i), pendingin (ii), generator (iii), dan pemanas termoelektrik (iv). Selama semua proses ini, sejumlah kecil daya elektromagnetik ( L Isaya., panah ganda hijau) dipertukarkan dengan induktor, meskipun total energi magnetik yang tersimpan 12L I2selalu kurang dari sebagian kecil Δ 0 / T r dari kelebihan panas awalnya disimpan ~ C Δ 0 . Sumber: Science Advance

Baca lengkapnya: Universitas Zurich 
Publikasi ilmiah : Science Advances