Volgens de thermodynamica zijn opwarmen en afkoelen elkaars tegenovergestelde, maar een experiment met een piepklein silicabolletje wijst nu op iets anders.
Als je op microscopische schaal kijkt, zal iets opwarmen altijd sneller gaan dan het afkoelen. Dat zegt een nieuwe regel van de thermodynamica. De twee processen, waarvan natuurkundigen lang dachten dat ze twee kanten van dezelfde medaille waren, lijken in werkelijkheid namelijk fundamenteel te verschillen.
Lastige definitie
Hoewel de meeste mensen wel een intuïtief idee hebben bij het begrip temperatuur, puzzelen natuurkundigen al eeuwenlang over een precieze definitie. Schoolboeken stellen vaak dat temperatuur een maat is voor de hoeveelheid beweging van de atomen in een systeem.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Maar de thermodynamica, of warmteleer, beschrijft temperatuur anders. Die kijkt naar de verschillende waarden van een grootheid, zoals snelheid of energie, die alle atomen in een systeem kunnen hebben – en alle mogelijke varianten daarvan. De mogelijke rangschikkingen heten ook wel de ‘microtoestanden’ van het systeem.
Op basis hiervan stelt de thermodynamica dat opwarmen en afkoelen elkaars spiegelbeelden zijn. Maar hier zit een kanttekening aan: de theorie gaat ervan uit dat temperatuurveranderingen langzaam, of in kleine stappen, plaatsvinden.
Als iets in grote stappen opwarmt of afkoelt, is de natuurkunde ervan minder goed begrepen. Wat je ziet gebeuren, kan dan ook tegenintuïtief zijn. Warm water bevriest bijvoorbeeld sneller dan koud water. Dat fenomeen heet het Mpemba-effect.
Sneller warm dan koud
Nu hebben natuurkundige Aljaz Godec van het Max Planck-instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen in Göttingen, Duitsland, en zijn collega’s nog een vreemd effect ontdekt. Zij lieten een microscopisch klein bolletje siliciumdioxide snel verhitten of afkoelen. Zo ontdekten ze dat deze processen niet symmetrisch plaatsvonden: het bolletje warmde sneller op dan dat het afkoelde. Het team publiceerde de vondst in het wetenschappelijke vakblad Nature Physics.
‘Dit is heel verrassend’, zegt Godec. ‘We weten dat het waar is, omdat we het hebben laten zien. Maar we kunnen niet beweren dat we begrijpen waarom dit het geval is.’
Godec en zijn team plaatsten het kleine bolletje in water. Een laser dat op het bolletje scheen, hield het op zijn plek. Vervolgens zetten de onderzoekers een elektrisch veld aan dat het bolletje verwarmde of afkoelde. Ze maten hoeveel het deeltje wiebelde en bewoog. Dit proces herhaalden ze tienduizenden keren.
Microtoestanden
Als je een enkel deeltje op deze manier meet, komt dat overeen met het meten van een enkele microtoestand. Het is onmogelijk om dat voor elkaar te krijgen met een materiaal dat uit veel deeltjes bestaat, omdat het aantal mogelijke rangschikkingen waarin de atomen kunnen zitten erg groot is. Maar door veel metingen te doen aan één enkel deeltje, kon het team het mogelijke aantal microtoestanden netjes in kaart brengen.
De natuurkundigen maten vervolgens hoeveel verschillende microtoestanden het deeltje moest doorlopen bij de overgang tussen twee temperaturen. Ze bepaalden dat zowel wanneer het bolletje opwarmde, als wanneer het afkoelde. Ze ontdekten dat het deeltje minder microtoestanden doorloopt wanneer het opwarmt, dan wanneer het afkoelt. Dat vertaalde zich in een snellere opwarmsnelheid.
Nieuwe wet
Het is niet duidelijk waarom dit verschil bestaat. In principe moet het aanwezig zijn in elk systeem dat voldoende opwarmt of afkoelt, zegt Godec, hoewel het in de praktijk meestal moeilijk te zien zal zijn. Dit komt doordat grote temperatuurveranderingen gewoonlijk veranderingen in het systeem zelf veroorzaken, zoals dat het gaat bevriezen of koken. Dat zal dit subtiele effect verhullen.
Toch kan deze asymmetrie belangrijk zijn om de efficiëntie van microscopische systemen zoals kleine warmtemotoren te verbeteren, zegt Godec.
‘Het is echt interessant werk’, zegt natuurkundige Janet Anders van de Universiteit van Exeter in het Verenigd Koninkrijk. ‘Het is echt belangrijk om na te denken over wat in de natuur dit kan verklaren.’
Het effect dat Godec’ team heeft ontdekt, kan bijna worden gezien als een extra wet van de thermodynamica, zegt Anders. Het is een uitbreiding op de tweede wet van de thermodynamica, die zegt dat warme dingen altijd afkoelen, tenzij je iets doet om dat tegen te houden. ‘De tweede wet zegt niets over snelheid, maar iets over mogelijkheden’, zegt ze. ‘Deze tweeënhalfde wet, zoals ik hem maar noem, zegt dat dit alles mogelijk is, maar dat sommige [processen] er veel langer over doen dan hun omgekeerde.’
