چرا نمی توانیم آب را به همان سرعتی که می توانیم گرم کنیم خنک کنیم؟

چرا نمی توانیم آب را به همان سرعتی که می توانیم گرم کنیم خنک کنیم؟

هیلاری شاو نیوپورت، شراپشایر، بریتانیا

دلیل آن این است که محدوده دمایی مطلوب ما به نقطه انجماد آب بسیار نزدیکتر از نقطه جوش آن است. شما فقط می توانید دمای چیزی را افزایش یا کاهش دهید که چیز دیگری گرمتر یا سردتر از دمایی باشد که می خواهید به آن برسید (قانون دوم ترمودینامیک).

دمای اتاق 15-25 درجه سانتیگراد (59-77 درجه فارنهایت) است، یخچال های ما 0-5 درجه سانتیگراد (32-41 درجه فارنهایت) و فریزرهای خانگی می توانند تا -20 درجه سانتیگراد (4- درجه فارنهایت) باشند. یک حلقه اجاق گاز یا عنصر کتری می تواند به بیش از 200 درجه سانتیگراد (حدود 400 درجه فارنهایت) برسد، بنابراین با توجه به وجود گرادیان دمایی بیش از 100 درجه سانتیگراد، مشکلی برای تامین آب تا 100 درجه سانتیگراد (212 درجه فارنهایت) نداریم. اما برای خنک کردن آب بدون یخ زدن، فقط یخچال داریم که گرادیان دمایی آن حدود 20 درجه سانتیگراد است.

همچنین، یک حلقه اجاق گاز برقی 1 تا 2 کیلووات مصرف می کند، در حالی که یک یخچال فقط 5 درصد از آن را مصرف می کند، بنابراین حذف گرما از طریق یخچال کندتر از اضافه کردن حرارت از طریق حلقه اجاق گاز است. شما می توانید لیوان آب خود را در یک فریزر بزرگ قرار دهید، اما شیب دما هنوز فقط 40 درجه سانتیگراد است، بسیار کمتر از دمای ارائه شده توسط اجاق گاز. شما همچنین خطر یخ زدن آب و احتمالا ترک خوردن ظرف را دارید.

بیشتر تصور اینکه خنک‌سازی کندتر است به این دلیل است که ما آب را به طور فعال گرم می‌کنیم، اما اغلب اجازه می‌دهیم که به طور غیرفعال خنک شود.

اگر دمای زمین 80 درجه سانتیگراد (176 درجه فارنهایت) بود، می‌توانید آب (در یخچال پرقدرت) را سریع‌تر از گرم کردن آن (قبل از اینکه بجوشد) خنک کنید.

Mike FollowsSutton Coldfield، West Midlands، UK

مطمئنا در طول موج های گرمای مکرر بسیاری از مردم در نیمکره شمالی تابستان امسال چنین احساسی داشته اند.

وقتی چیزها را گرم می کنیم، معمولا این کار را فعالانه انجام می دهیم. یک کتری می تواند چند کیلووات برق را مستقیما در یک لیتر آب بریزد. خنک‌سازی اغلب غیرفعال‌تر است: یک جسم گرم را در مکانی سردتر قرار دهید و انرژی حرارتی به محیط اطراف نشت می‌کند و با کاهش اختلاف دما، جریان گرما کند می‌شود. یخچال با استفاده از انرژی برای پمپاژ گرما از فضای داخلی سرد به اتاق گرم تر، خنک شدن را سرعت می بخشد.

با این حال، هیچ قانون اساسی وجود ندارد که بگوید آب باید کندتر از آن که گرم شود سرد شود. بنابراین، در طول استفاده روزمره ما از آب، بیشتر این تصور که خنک‌سازی کندتر است، صرفا به این دلیل است که ما آن را به طور فعال و سریع گرم می‌کنیم، اما اغلب آن را به آرامی و غیرفعال می‌گذاریم تا خنک شود.

عدم تقارن جالب‌تر زمانی ظاهر می‌شود که ما سعی می‌کنیم چیزی زیر دمای محیط را خنک کنیم. سپس با یک مشکل کمتر آشنا روبرو می شویم: آنتروپی.

آنتروپی اغلب به طور مبهم به عنوان "بی نظمی" توصیف می شود. شاید هم فیزیکدانان من در اینجا کمی ساده‌سازی را ببخشند: برای اهداف ما، آنتروپی را به عنوان توشه‌ای مرتبط با انتقال گرما در نظر بگیرید. اگر بخواهیم چیزی را خنک کنیم، آن توشه باید جایی برود.

اینجاست که اعداد نسبتا نابخشودنی می شوند. برای مقدار معینی از گرمای منتقل شده، تغییر آنتروپی مرتبط در دماهای پایین تر بیشتر است. انتقال 1 ژول گرما به صورت برگشت پذیر در 30 کلوین (243- درجه سانتیگراد) شامل 10 برابر تغییر آنتروپی انتقال 1 ژول در دمای 300 K (27 درجه سانتیگراد) است. در دمای 3 کلوین (270- درجه سانتیگراد)، 100 برابر تغییر آنتروپی است. در دماهای بسیار پایین، حتی حذف مقدار کمی انرژی به معنای یافتن خانه ای برای مقدار نسبتا زیادی آنتروپی است.

متأسفانه آنتروپی را نمی توان به سادگی دور انداخت. وقتی می‌خواهیم چیزی را کمتر از دمای محیطش خنک کنیم، باید آنتروپی را از جایی سرد به جای گرم‌تر منتقل کنیم و این کار نیاز دارد. هر چه همه چیز سردتر می شود، این کار سخت تر می شود.

پروفسور قدیمی من، جورج پیکت فقید، توصیه کرد که در مورد دما به ترتیب بزرگی فکر کنید. دمای اتاق حدود 300 کلوین است، در حالی که مرکز خورشید حدود 15 میلیون کلوین است. در مقیاس دمایی لگاریتمی، ضریب 10 همیشه همان فاصله زمانی در نمودار است: از 15 میلیون کلوین تا 5/1 میلیون کلوین، یا از 3 کلوین تا 3/0 کلوین. اما فیزیک رسیدن به این قطره ها چیزی جز یکسان است. با نزدیک شدن به صفر مطلق، حذف انرژی حرارتی و از بین بردن آنتروپی آن به تدریج سخت‌تر می‌شود و به تکنیک‌های خنک‌کننده مبتکرانه‌تری نیاز دارد.

زمانی که به پایین‌ترین دمای ثبت‌شده در جهان شناخته‌شده دست یافتیم، به عنوان بخشی از گروه فیزیک دمای فوق‌العاده پایین پیکت در دانشگاه لنکستر انگلستان، آن سختی را به‌عنوان بخشی از گروه فیزیک بسیار پایین پیکت تجربه کردم – دستاوردی که همیشه فکر می‌کردم با ثبت رکورد جهانی گینس بسیار کم‌فروش بود.

برای پاسخ به این سوال - یا سوال جدیدی بپرسید - به lastword@newscientist.com ایمیل بزنید.

سؤالات باید جستارهای علمی در مورد پدیده های روزمره باشد و سؤالات و پاسخ ها باید مختصر باشد. ما حق ویرایش موارد را برای وضوح و سبک برای خود محفوظ می داریم. لطفا آدرس پستی، شماره تلفن روزانه و آدرس ایمیل را وارد کنید.

استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی (مانند ChatGPT، Claude) برای نوشتن سؤال یا پاسخ ممنوع است و هرگونه ارسالی که با استفاده از ابزارهای هوش مصنوعی نوشته شده باشد، پس گرفته خواهد شد.

شرایط و ضوابط اعمال می شود.