پژوهش‌گران نشان دادند که ناحیه نزدیک به مناطق گرم و سرد متغیر را می‌توان بدون مصرف انرژی در دمایی ثابت نگه داشت.

ثابت نگه داشتن دما در تراشه‌های الکترونیکی و اجزای داخلی ساخته‌شده آن حائز اهمیت است و معمولاً برای گرم کردن یا سرد کردن آن‌ها به انرژی نیاز است. گروهی از فیزیک‌پیشگان چینی به تازگی نشان دادند چگونه می‌توان دما را در ناحیه‌ای که با مناطقی با دمای گرم و سرد متغیر احاطه شده، کنترل کرد بدون این‌که نیاز به مصرف انرژی اضافی باشد. ایده این کار، قرار دادن ناحیه در میان موادی است که ویژگی‌های گرمایی آن با دما تغییر می‌کند. این گروه نشان دادند که ناحیه مرکزی که از نواری فلزی ساخته شده، با وجود آن‌که یک انتهایش به اندازه 30 درجه گرم می‌شود، بدون مصرف هیچ انرژی‌ای در دمای ثابت می‌ماند. پژوهش‌گران معتقدند روش کارشان می‌تواند توسعه یافته و در سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی کاربرد عملی یابد.

خنکی آن را حفظ می‌کند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد دماپایی بدون مصرف انرژی، دمای منطقه‌ای دلخواه را ثابت نگه می‌دارد، هرچند دمای محیط خارج آن متغیر باشد. در این‌جا به جای آن‌که موادی با رسانندگی گرمایی معمولی یک-بعدی داشته باشیم، «پوشش حرارتی» دوبعدی داریم، مناطق پیرامون آن ناحیه مرکزی از موادی تشکیل شده که رسانندگی گرمایی آن‌ها به شکل‌‌های مختلف به دما بستگی دارد. تصاویر نشان می‌دهد توزیع دمایی در مرز سمت چپ در هر مورد، در دمای 273/2 کلوین نگاه داشته می‌شود، در حالی که دمای مرز سمت راست افزایش می‌یابد و از چپ به راست عبارتند از: 323/2 کلوین، 338/2 کلوین و 353/2 کلوین. با وجود این افزایش 30 درجه‌ای دما، دمای ناحیه مرکزی بیش از 1/2 کلوین تغییر نمی‌کند.

ثابت نگه‌داشتن دما در اتاقکی که یک سمتش حفاظ‌گذاری شده و سمت دیگرش در معرض نور خورشید صبح‌گاهی و ظهرگاهی قرار داده شده، به طور طبیعی نیازمند صرف انرژی قابل توجهی برای سردسازی است. در ادواتی که اختلافات دمایی گسترده و متغیر در طول زمان دارند، هم‌چنین در موتورهای الکترونیکی و موتورهای فضاپیما مشکلات کنترل دمای ظهور پیدا می‌کند.

برای حل این مشکلات Jiping Huang از دانشگاه فودان در شانگهای و هم‌کارانش دماپایی را پیشنهاد کردند که انرژی مصرف نمی‌کند. آن‌ها ناحیه کوچکی را در دمای T فرض کردند که بین دو باریکه قرار گرفته است، یکی انتهای دورترش سرد است و دیگری گرم. دشواری کار آن‌جاست که با تغییر دمای انتهایی هر باریکه نگذاریم ناحیه مرکزی گرم یا سرد شود.

این گروه از این حقیقت استفاده کردند که رسانندگی گرمایی یک ماده می‌تواند با دمای ماده تغییر کند. (رسانندگی گرمایی مقیاسی است که معلوم می‌کند گرما تا چه اندازه می‌تواند به سادگی در ماده جریان یابد). چنان‌که به صورت ریاضی هم نشان دادند، جنس ماده قسمت سرد باید به صورتی انتخاب شود که در دمای بالای T حرارت را خوب منتقل کند ولی رسانندگی ضعیفی در زیر دمای T داشته باشد. ویژگی‌های قسمت گرم هم باید برعکس قسمت سرد باشد. با حل معادلات جریان حرارت، این گروه نشان دادند که با افزایش دما در قسمت انتهایی گرم، دما در ناحیه مرکزی تقریباً در دمای T ثابت می‌ماند.

لازم بود که با گرم شدن انتهای قسمت گرم، نرخ کلی جریان حرارت از قسمت گرم به سرد بدون تغییر بماند، به طوری که هیچ انرژی‌ای اضافه یا کم نشود. ممکن است فردی انتظار داشته باشد که هرچه قسمت گرم، گرم‌تر شود، دمای ناحیه مرکزی نیز بالا رود. اما چنین نیست زیرا در عوض، رسانندگی گرمایی قسمت گرم افت می‌کند که موجب می‌شود اختلاف دمای میان قسمت گرم و ناحیه مرکزی افزایش یابد. همانند سیم‌های الکتریکی یا لوله‌های آب، که اگر در آن مقاومت در برابر جریان، در طول یک کانال افزایش ‌یابد، تغییرات ولتاژ یا فشار در عرض کانال نیز بالا می‌رود، و تخمین زده می‌شود که نرخ جریان ثابت بماند. برای جریان حرارت، به شکلی مشابه نشان داده می‌شود که افزایش اختلاف دما میان دو ناحیه، در این حالت برای ثابت نگه داشتن دما در مقدار T در محل ناحیه مرکزی کافی است.

پژوهش‌گران تحقق این ایده را در آزمایش‌های خود نیز اثبات کردند. آن‌ها تلاش کردند دما در ناحیه مرکزی یک نوار فلزی باریک ثابت بماند، درحالی که دماهای متغیر سرد و گرم به دو انتهای آن اعمال کردند. آن‌ها برای ایجاد باریکه‌های رسانا ساختارهایی مرکب (کامپوزیت) ساختند که در آن از دو لایه متشکل از نوارهای جانبی هم‌بند، از دو ماده متفاوت استفاده می‌شد. یکی از لایه‌های نوارها در جای خود ثابت شده بود و می‌توانست حرارت را به طور ضعیفی منتقل کند؛ لایه دیگر نوارها از ماده‌ای تشکیل شده بود که وقتی دما تغییر می‌کرد، به سمت بالا خم می‌شد و مسیر رسانش را می‌شکست و تنها لایه‌ی با رسانندگی-ضعیف را باقی می‌گذاشت. در آزمایش‌ها، از تصویربرداری حرارتی استفاده می‌شد، پژوهش‌گران دریافتند هنگامی که درجه حرارت بخش انتهایی قسمت گرم از 320 تا 353 افزایش یابد، دمای ناحیه مرکزی تنها یک درجه بالا می‌رود.

Huang توقع دارد این ایده خیلی زود به ویژه در مواردی که سعی بر کاهش مصرف انرژی است، کاربردهای تجاری پیدا کند. برای مثال، برای تنظیم دمای خانه، اگر موادی با رسانندگی وابسته به دمای مناسب، در سطوح خارجی خانه‌ها به کار گرفته ‌شود، می‌تواند نیاز به تهویه هوا را کاهش دهد. او پیشنهاد داد که از این ایده برای ماهواره‌ها نیز استفاده شود (در یک فضاپیما ممکن است اختلاف دمایی بسیار شدیدی میان قسمت رو به خورشید با سایر قسمت‌ها وجود داشته باشد).

Cheng-Wei Qiu از دانشگاه ملی سنگاپور می‌گوید: «این ایده بسیار مبتکرانه و متبحرانه است و دارای پتانسیل زیادی برای کاربردهای عملی در موقعیت‌هایی است که در آن دمای محیطی دو طرف شئی تغییر می‌کند». او چنین افزود که این رویکرد برای تنظیم‌ دما در خانه‌ها نیز «بسیار امیدبخش است».

این پژوهش در  Physical Review Letters چاپ شده است.

نویسنده: Mark Buchanan علمی‌نویس مستقل در نرماندی فرانسه

منبع: A Thermostat that Consumes No Energy

مرجع: Temperature Trapping: Energy-Free Maintenance of Constant Temperatures as Ambient Temperature Gradients Change