Misschien is er een uitzondering op de tweede wet van de thermodynamica. In een gas dat zo ijl is dat de deeltjes elkaar nooit raken, lijkt warmte van een koud gebied naar een warm gebied te stromen.
Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd van een warmere plek naar een koudere. Maar in een extreem ijl gas kan mogelijk het tegenovergestelde plaatsvinden: warmte die van koud naar warm stroomt. Deze theoretische bevinding, die gepubliceerd zal worden in het wetenschappelijk vakblad Physical Review E, brengt mogelijk een barst in deze fundamentele natuurwet aan het licht.
‘De tweede wet van de thermodynamica is al 150 jaar bekend. Je zou denken dat als er een tegenvoorbeeld bestaat, je hiervoor een of ander exotisch systeem nodig hebt, bijvoorbeeld iets uit de snaartheorie’, zegt materiaalwetenschapper Yu Qiao van de Universiteit van Californië in San Diego, VS. Tot zijn verbazing vond hij zo’n tegenvoorbeeld door simpelweg het gedrag van een paar rondvliegende deeltjes in een doos te modelleren.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Evenwichtstoestand
Qiao en zijn collega’s simuleerden een doos gevuld met daarin een zeer sterk verdund gas. Het gas is zo ijl, dat de deeltjes nooit met elkaar zullen interageren. Wel kunnen ze tegen de zijkanten van de doos stuiteren. De boven- en onderkant van de doos absorberen warmte wanneer de deeltjes er tegenaan botsen.
In een doos met een gas zou gewoonlijk de tweede wet van de thermodynamica gelden. Als een bepaald deel van de doos bij aanvang warmer is dan de rest, zou er vanzelf warmte naar koudere delen van de doos stromen, tot het geheel dezelfde temperatuur heeft. Deze evenwichtstoestand zou ook de toestand zijn met de meeste entropie, oftewel de minste orde.
Qiao verwachtte dat het ultradunne gas nooit zo’n evenwichtstoestand zou bereiken, omdat de deeltjes niet op elkaar konden botsen. In de simulaties gebeurde echter iets nog veel ongebruikelijkers: zelfs als de temperatuur op de bodem van de doos lager was dan aan de bovenkant, bleven de deeltjes omhoogbewegen. Zo bleven ze warmte van het koudere deel van de doos naar het warmere deel brengen.
Niet hand in hand
Volgens Qiao komt dit doordat warmere deeltjes altijd sneller bewegen dan koudere deeltjes. Daardoor maken deze deeltjes meer kans om de zwaartekracht te overwinnen en de bovenkant van de doos te bereiken, waar ze hun warmte kwijtraken. De koudere, langzamere deeltjes blijven daarentegen op de bodem.
Mogelijk schendt dit vreemde systeem niet zozeer een fundamentele wet van de thermodynamica, maar laat het eerder zien dat onder bepaalde omstandigheden de twee onderdelen van de wet – de richting van warmteoverdracht en de toename van entropie – niet hand in hand gaan. ‘Onder deze zeer speciale omstandigheden, zonder onderlinge interacties tussen deeltjes, is de entropie zodanig gemaximaliseerd dat warmteoverdracht van koud naar warm is toegestaan’, zegt Qiao.
Perpetuum mobile
‘Dit is een leuk effect dat fundamenteel gezien interessant is, maar misschien niet veel praktisch belang heeft’, zegt scheikundige Emil Roduner van de Universiteit van Stuttgart in Duitsland.
Volgens natuurkundige Milivoje Kostic van de Northern Illinois University in de VS worden er regelmatig claims gedaan over het breken van de tweede wet van de thermodynamica. Die leiden vaak ook tot fantasierijke ideeën zoals een perpetuum mobile: een apparaat dat voor eeuwig uit zichzelf blijft bewegen. Maar in ruim 150 jaar is niemand erin geslaagd om ondubbelzinnig experimenteel bewijs te leveren voor het breken van de wet, zegt hij.
Toch heeft Qiao vertrouwen in zijn theorie. Hij ziet ook de mogelijkheid om die experimenteel op de proef te stellen. Tijdens zijn onderzoek realiseerde hij zich dat een experiment dat hij vijftien jaar geleden verrichtte hiervoor weleens geschikt zou kunnen zijn. In dat experiment werden kleine hoeveelheden vloeistoffen in kleine holtes in een poreuze vaste stof geduwd, zodat de vloeistoffen elkaar niet konden raken. Volgens Qiao waren sommige metingen in dat experiment voor hem destijds onverklaarbaar. Nu kijkt hij daar met andere ogen naar.
Uiteindelijk wil Qiao op basis van zijn nieuwe theorie een bruikbaar apparaat ontwerpen, bijvoorbeeld een apparaat dat elektriciteit kan opwekken op basis van de energetisch goedkope koud-naar-warm-warmteoverdracht. ‘Maar omdat de tweede wet zo fundamenteel is, is dit nieuwe werk ook iets waarmee ik prima met pensioen zou kunnen gaan’, zegt hij.
