Eksperiment afslører: Baglæns varmestrømning er mulig
Varme, der strømmer fra et koldt legeme til et varmere, lyder som et brud på fysikkens love. Men på den meget lille skala i naturen kan det faktisk ske, viser eksperimenter. Heldigvis bryder vores verdensbillede ikke sammen af den grund.
laser opstilling af eksperiment

Foto af den eksperimentelle opstilling med lasere på ENS Lyon, Frankrig. Denne opstilling blev brugt til de beskrevne eksperimenter. (Foto: Alberto Imparato)

Foto af den eksperimentelle opstilling med lasere på ENS Lyon, Frankrig. Denne opstilling blev brugt til de beskrevne eksperimenter. (Foto: Alberto Imparato)
Partner Aktuel Naturvidenskab

Aktuel Naturvidenskab er et landsdækkende tidsskrift med nyheder og baggrund fra den naturvidenskabelige verden.

 Lad kaffekoppen stå på bordet, og kaffen begynder af sig selv at blive varmere eller måske endda at koge over.

Det ville sikkert glæde en del og brænde tungen på andre, men det ville også få en del fysikere til at få bekymrede rynker i panden på vegne af termodynamikkens anden hovedsætning.

Om termodynamikken

Størstedelen af termodynamikken (også kaldet varmelære) blev udviklet i 1800-tallet i forbindelse med forbedringer på datidens dampmaskiner. Man begyndte at interessere sig for, hvilken volumen, tryk og varme der gav det optimale udbytte. Af disse overvejelser opstod termodynamikken, der omfatter varme og omdannelsen af varme til energi og arbejde.

Termodynamikken behandler væsker, gasser og faste stoffer som makroskopiske objekter. Makroskopisk vil sige, at der ikke tages hensyn til atomstrukturen af for eksempel en krystal. I stedet ser man på den, som var den ét stort materiale.

LÆS OGSÅ: Store opdagelser: Termodynamikken

Umiddelbart forventer man jo, at der skal tilføres energi for at få varme til at strømme fra et koldere sted til et varmere – det sker ikke bare af sig selv.

Men det er ikke desto mindre netop dét, vi har observeret i eksperimenter.

Du skal dog ikke forvente, at det sker i din cappuccino – vi skal nemlig helt ned i mikro- og nanopartiklernes verden.

En lidt anderledes fysisk lov

Termodynamikkens anden hovedsætning er noget speciel sammenlignet med andre fysiske love som Newtons tyngdelov eller bare termodynamikkens første hovedsætning.

Fysiske love udtrykker som regel en matematisk relation imellem forskellige størrelser udtrykt ved en formel, hvor én eller flere fysiske størrelser kan findes som funktion af andre fysiske størrelser:

Termodynamikkens hovedsætninger

Grundlæggende er termodynamikken forklaret i de fire termodynamiske hovedsætninger, hvoraf 1. og 2. er:

1. hovedsætning - energibevarelse

Et fundamentalt begreb i fysikken er energibevarelse. Energi kan hverken opstå eller forsvinde af sig selv.

Man hører ofte folk sige, at de har brugt energi, hvis de for eksempel har løbet en tur. Men det de egentlig burde sige er, at de har omdannet energi. Når den mad, man spiser, fordøjes, brydes de kemiske bindinger, og det frigiver energi i kroppen. Den energi omdannes så til varmeenergi og mekanisk energi, når man løber.

Med andre ord er ændringen i energi lig den tilførte varme minus det udførte arbejde.

2. hovedsætning - Entropi og varmetransport

Den 2. hovedsætning handler om transport af varme og entropien (S). Hvad entropi er for noget, kan du læse mere om i næste faktaboks.

Termodynamikkens 2. lov siger i al sin tilsyneladende enkelhed, at hvis man giver et lukket system mulighed for at udvikle sig uden menneskelig indgriben, vil det ske tilfældigt og dermed kaotisk – og så vil entropien i systemet vokse.

Kilde: Den Store Danske og Niels Bohr Institutets Fysikleksikon

F.eks. udtrykker termodynamikkens første hovedsætning energibevarelse: Den totale energi i en termodynamisk proces er givet ved summen af arbejde og varme.

Til forskel fra dette, siger termodynamikkens anden hovedsætning noget om, i hvilken retning processen forløber i stedet for at beskrive forhold imellem fysiske størrelser.

Omsat til ord kan loven udtrykkes som: »Varme kan ikke strømme fra et koldere til et varmere sted, uden at der udføres eksternt arbejde.«

Det typiske eksempel er køleskabet. Det kolde sted er skabets indre, og det varme er køkkenet udenom. Køleskabet fungerer kun, hvis man sætter stikket i stikkontakten og tænder for strømmen. På den måde udfører den elektriske strøm et arbejde (med at drive en pumpe).

LÆS OGSÅ: Termodynamikkens 2. lov - forudsætningen for moderne energiteknologi

Den klassiske termodynamik blev formuleret i 1800-tallet

Mere formelt sagt, så indfører man en tilstandsfunktion, som kaldes entropi (S), og man postulerer, at i et lukket system kan entropien ikke mindskes – kun blive større eller forblive konstant.

Sætningen ovenfor om varmestrøm er den sædvanlige måde at udtrykke termodynamikkens anden hovedsætning på, og den er den direkte konsekvens af den mere formelle påstand.

Den klassiske termodynamik blev formuleret i løbet af 1800-tallet, da fysikerne beskæftigede sig med forholdene omkring store maskiner, f.eks. effektiviteten af en dampmaskine.

Den anden hovedsætning afspejler, at det ikke er muligt at følge bevægelsen for et enkelt atom i et makroskopisk fysisk system, eller sagt med Maxwells ord:

»loven er utvivlsomt sand, så længe vi kun kan beskæftige os med mangelegemesystemer og ikke har midler til at studere eller håndtere de enkelte molekyler, som systemerne består af.«

Hvad sker der med termodynamikkens anden hovedsætning i nanomaskiner?

Entropi

Entropi er et slags mål for graden af uorden i et system, der indeholder energi eller information.

I termodynamikken er entropien (S) en tilstandsfunktion, dvs. at den for et system i ligevægt kun afhænger af størrelser som systemets tryk, temperatur og volumen, men ikke af den måde, hvorpå systemets tilstand er fremkommet. 

Ingeniøren Carnot gjorde den for termodynamikken afgørende opdagelse, at energien i et lukket system er konstant.

For et lukket system kan entropien aldrig aftage, og ved spontane, irreversible processer vil entropien altid vokse. Dette er termodynamikkens anden hovedsætning.

Det vil sige, at den energi, et lukket system bruger, stadig er i systemet efter brug – den er bare omdannet til nye energiformer, hvoraf nogle er tilgængelige og andre utilgængelige. Mængden af utilgængelig energi vokser altid.

Kilde: Den Store Danske

Man kan så spekulere over, hvad der sker med termodynamikkens anden hovedsætning, når man faktisk har at gøre med små systemer med få frihedsgrader.

Her er den indre energi af samme størrelsesorden som den termiske energi for omgivelserne.

Noget sådant er f.eks. tilfældet i nanomaskiner, der kan være naturlige eller menneskeskabte motorer, som omsætter kemisk energi til mekanisk energi.

Denne type maskiner er f.eks. ansvarlige for aktiv transport i de levende celler. 

Og når man undersøger sagen nærmere ender man faktisk, som Maxwell indså, at mikroskopiske systemer som nanomotorer ikke blot er nedskalerede versioner af deres makroskopiske fætre.

Varme kan strømme fra et koldt legeme til et varmere

I et studie, som for nyligt er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters, har vi studeret energistrømmen imellem to partikler i mikrometerstørrelse (1/1.000.000 meter), som var fanget med en laserpincet og holdt ved forskellige temperaturer.

Fra den makroskopiske termodynamik ved vi, at så snart, der opstår en temperaturforskel imellem de to systemer, vil varmen begynde at strømme fra den varme side til den kolde side af systemet.

Det, vi ser, er, at der er en – godt nok meget lille – sandsynlighed for, at det omvendte sker.

Med andre ord ser vi, at i løbet af et stykke tid kan varmen strømme fra det kolde legeme til det varme, uden at vi udefra udfører arbejde på systemet.

optisk pincet laser varmestroemning

Principillustration af den eksperimentelle opstilling. To små partikler af silika er fanget i fokusset af to laserstråler og holdes ved forskellige temperaturer. De små 'fjedre' indikerer, at partiklerne kan bevæge sig en smule mod hinanden, og de vekselvirker via den omgivende væske. (Illustration: Alberto Imparato)

Modsigelsen er kun tilsyneladende

Modsigelsen af anden hovedsætning er dog kun tilsyneladende. Når man gentager eksperimentet mange gange, bliver gennemsnitsresultatet som ventet:

At den gennemsnitlige varmestrøm går fra det varme til det kolde, ganske som anden lov siger.

Men på et eller andet givet tidspunkt er der altså en sandsynlighed forskellig fra nul for, at varmen går den modsatte vej. Sandsynligheden skrumper blot til ingenting, jo længere tid forsøget forløber.

Forløbet for sandsynligheden følger en eksakt matematisk sætning, som kaldes fluktuationssætningen.

Resultater kan bane vejen for mikro-maskiner

De forsøg, vi har udført, understreger altså, at entropien er en statistisk værdi, ganske som Maxwell nævnte.

Så når vores nye resultater ikke er et egentligt 'lovbrud' er det, fordi forståelsen af termodynamikkens 2. hovedsætning har ændret sig fra at skulle fortolkes absolut til at være statistisk baseret.

Denne forståelse er helt essentiel, når man betragter små systemer.

Vores grundlæggende resultater kan bane vejen for design af mikro-maskiner og hjælpe med en øget forståelse af, hvordan eksempelvis biologiske processer på celleniveau er termodynamisk mulige.

Artiklen er oversat af Ole J. Knudsen

Nyhed: Lyt til artikler

Du kan nu lytte til udvalgte artikler herunder. Du kan også lytte til de oplæste artikler i din podcast-app, hvor du finder dem under navnet 'Videnskab.dk - Lyt til artikler'.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på vores Instagram-profil, og læs om de nedenstående prisvindende billeder af stjernetåger og stjernefabrikker her.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med omkring en million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk