Robert Klatt
Laut den Gesetzen der Thermodynamik ging man bislang davon aus, dass Kühlen und Erhitzen bloße Umkehrungen sind. Nun wurde ein Unterschied zwischen den Prozessen entdeckt.
Granada (Spanien). Laut den Gesetzen der Thermodynamik ging man in der Physik bisher davon aus, dass beim Kühlen und Erhitzen die gleichen Prozesse ablaufen und sich die Temperatur lediglich mit umgekehrten Vorzeichen ändert. Forscher der Universidad de Granada haben im Fachmagazin Nature Physics nun eine Studie publiziert, die signifikante Unterschiede zwischen den beiden Prozessen zeigt. Wie Aljaz Godec vom Max-Planck-Institut für multidisziplinäre Wissenschaften erklärt, kann ein Objekt schneller erhitzt als gekühlt werden. Überdies durchläuft es beim Kühlen Zustände, die beim Erhitzen nicht auftreten.
„Das ist sehr überraschend. Bis jetzt wissen wir, dass das wahr ist, weil wir es gezeigt haben. Aber wir können nicht behaupten, dass wir verstehen, warum das der Fall ist.“
Entdeckt haben die Forscher dies bei Experimenten, in denen sie kleinste Kügelchen aus Siliziumdioxid, die sich in Wasser befanden, mit einem Infrarotlaser fixiert und dann mit einem elektrischen Feld in Vibrationen versetzt haben. Sie konnten dadurch rapide Veränderungen der Temperatur simulieren und beobachten, wie sich das Siliziumdioxidkügelchen dabei verhalt. Dies wiederholten sie mehrere Zehntausend Male.
Laut den Messungen erhitzten sich die Siliziumdioxidkügelchen bei allen Wiederholungen schneller als sie abkühlten. Eine Analyse der Zustände beim Abkühlen und Aufwärmen der Siliziumdioxidkügelchen zeigte, dass diese beim Erhitzen weniger Zustände durchlaufen als beim Abkühlen. Dies erklärt laut den Forscher die unterschiedliche Dauer der Vorgänge. Bisher ist aber noch nicht klar, wieso die Unterschiede bei den durchlaufenen Prozessen existieren.
Bei den meisten gewöhnlichen Materialien können die Unterschiede beim Erhitzen und Abkühlen nicht beobachtet werden, weil sie erst bei hohen Temperaturunterschieden von tausenden Grad sichtbar sind. Die Wissenschaftler sind trotzdem der Ansicht, dass ihre Entdeckung die Effizienz mikroskopischer Technologien, etwa von winzigen Nanomotoren, erhöhen kann.
Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-023-02269-z
