Физики собрали устройство, которое охлаждается за счёт собственного теплового излучения.

Когда чай или кофе слишком горяч, то всегда можно поставить кружку с напитком на стол и подождать некоторое время, пока напиток не остынет. Однако может случиться так, что о своём чае вы забудете, а спустя пару часов с прискорбием обнаружите, что температура жидкости в вашей любимой кружке за это время успела придти в равновесие с температурой окружающей среды. Но такого, чтобы оставленный в комнате чай вдруг превратился в лёд, не бывает – ведь это противоречит законам термодинамики. Или всё-таки бывает?


Физики из Массачусетского технологического института недавно собрали простое устройство, которое без потребления внешней энергии смогло само себя охладить на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха. Для этого исследователям даже не пришлось пользоваться помощью демона Максвелла, который, как известно, вопреки законам термодинамики «способен» сортировать «горячие» и «холодные» молекулы и тем самым делать холодные тела холоднее, а горячие – горячее. Чтобы понять, как такое возможно, давайте посмотрим, какие существуют каналы обмена теплом между взятым предметом и окружающей средой.

Предмет может отдать или получить тепло за счёт контакта с окружающей средой и другими предметами. Тот же горячий чай в кружке сначала передаёт тепло кружке, а кружка, в свою очередь, нагревает стол, на котором она стоит, и воздух, с которым она соприкасается. Но есть ещё один способ передачи тепла – это излучение. Все нагретые тела излучают электромагнитные волны определённого диапазона. Человеческий глаз не может видеть эту часть спектра, поэтому, если мы хотим посмотреть, как выглядит тепло, приходится пользоваться специальными приборами: тепловизорами. Или же можно почувствовать тепло, просто поднеся руку поближе к источнику, например, к зажжённому камину.

Возвращаясь к нашей кружке, отметим, что она, как и камин, пусть и не так интенсивно, но будет испускать инфракрасное излучение, теряя при этом энергию и, как следствие, охлаждаясь. Но окружающие её тела, в том числе воздух, также могут излучать тепло. Поэтому, обмениваясь энергией, все объекты с течением времени принимают одинаковую температуру, или как ещё говорят, наступает термодинамическое равновесие. Тут нужно отметить ещё один важный момент: тепловое излучение плохо поглощается воздухом, образно говоря, оно, как и луч света, может проходить большие расстояния. То есть нагретый объект будет, как фонарик, светить теплом и передавать его тем объектам, до которых это излучение дойдёт. А что будет с объектом, если его надёжно теплоизолировать от окружающей среды, оставив лишь возможность «светить», образно говоря, в космос? Ответ прост: он будет терять энергию и охлаждаться до тех пор, пока поток тепла, суммарно поступающего к телу, не станет равным потоку тепла, излучаемого телом.

Именно такое устройство собрали физики из простых материалов, использовав медный диск в качестве излучателя, фольгу и полимерную плёнку как теплоизолирующие элементы, а на пути прямых солнечных лучей поставив зеркало. Получившаяся конструкция смогла поддерживать температуру медного диска приблизительно на 6° ниже температуры окружающего воздуха. Что характерно, эксперимент происходил в солнечный день, поскольку в пасмурную погоду, атмосфера сама будет работать «нагревателем», не давая объекту сильно охлаждаться.

По материалам Nature Communications.


https://www.nkj.ru/news/34974/