출처: https://phys.org/news/2019-04-thermodynamic-magic-enables-cooling-energy.html

Theoretically, this experimental device could turn boiling water to ice, without using any energy. Credit: Andreas Schilling, UZH

이론적으로 해당 장비는 에너지를 쓰지 않고도 끓는 물을 얼음으로 만들 수 있다. 사진 제공: Andreas Schilling, UZH

Physicists at the University of Zurich have developed an amazingly simple device that allows heat to flow temporarily from a cold to a warm object without an external power supply. Intriguingly, the process initially appears to contradict the fundamental laws of physics.

취리히공대 물리학자들이 외부의 에너지 공급 없이도 열을 차가운 물체로부터 뜨거운 물체로 잠시 흐르도록 해주는 장치를 개발하였다. 이는 겉보기에 물리학의 근본적 법칙을 위반하는 것처럼 보인다.

If you put a teapot of boiling water on the kitchen table, it will gradually cool down. However, its temperature is not expected to fall below that of the table. It is precisely this everyday experience that illustrates one of the fundamental laws of physics—the second law of thermodynamics—which states that the entropy of a closed natural system must increase over time. Or, more simply put: Heat can flow by itself only from a warmer to a colder object, and not the other way round.

끓는 물이 담긴 찻주전자를 부엌 식탁에 올려놓으면, 물은 점차 식는다. 그러나 물의 온도는 테이블의 온도보다 낮아질 수 없다. 일상적으로 일어나는 이러한 현상은 물리학의 근본 법칙 중 하나인 열역학 2법칙 (폐쇄계의 엔트로피는 시간이 지나면서 증가한다)을 보여준다. 좀 쉽게 말하자면 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐르며, 그 반대는 일어나지 않는다는 뜻이다.

Cooling below room temperature

주변 온도보다 낮은 온도로 냉각하기

The results of a recent experiment carried out by the research group of Prof. Andreas Schilling in the Department of Physics at the University of Zurich (UZH) appear at first sight to challenge the second law of thermodynamics. The researchers managed to cool a nine-gram piece of copper from over 100°C to significantly below room temperature without an external power supply. "Theoretically, this experimental device could turn boiling water to ice, without using any energy," says Schilling.

취리히공대 물리학과 교수 Andreas Schilling가 이끄는 연구진이 최근 진행한 실험은 겉보기에 열역학 제2법칙을 위배하는 것처럼 보인다. 연구진은 섭씨 100도 이상으로 가열된 9g짜리 구리 조각을 외부 에너지 공급 없이 실온보다 낮은 온도로 냉각하는데 성공했다.

“이론적으로 해당 장치는 에너지를 쓰지 않고도 끓는 물을 얼음으로 만들 수 있습니다”라고 Andreas Schilling은 말했다.

Creating oscillating heat currents

진동하는 열흐름 만들기

Thermodynamic Magic: A simple technique allows to cool hot materials below ambient temperature without external intervention, seemingly defying the laws of physics. Credit: A. Schilling

열역학적 마법: 단순한 기술을 활용하면 뜨거운 물질을 외부의 간섭 없이도 주변 온도 아래로 냉각시킬 수 있는데, 이는 겉보기에 물리법칙을 위배하는 것처럼 보인다. 사진 제공 Andreas Schilling.

To achieve this, the researchers used a Peltier element, a component commonly used, for example, to cool minibars in hotel rooms. These elements can transform electric currents into temperature differences. The researchers had already used this type of element in previous experiments, in connection with an electric inductor, to create an oscillating heat current in which the flow of heat between two bodies perpetually changed direction.

상기한 결과를 얻기 위해 연구진은 펠티에 소자를 사용했다. 펠티에 소자는 호텔 방에서 미니바를 냉각시키는데 자주 사용되는 소자로, 전류를 온도차로 변환시킬 수 있다. 과거에 진행된 연구에서 연구진은 펠티에 소자를 전기 인덕터와 결합하여 진동하는 열흐름, 즉 두 개의 물체 사이에서 방향을 계속해서 바꾸는 열흐름을 만드는데 성공했다.

In this scenario, heat also temporarily flows from a colder to a warmer object so that the colder object is cooled down further. This kind of "thermal oscillating circuit" in effect contains a "thermal inductor". It functions in the same way as an electrical oscillating circuit, in which the voltage oscillates with a constantly changing sign.

이번 연구에서 열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 흐르며, 이 때문에 차가운 물체가 더욱 차가워지는 효과를 얻는다. 이러한 “열진동회로”는 “열인덕터”를 포함하고 있으며, 전기진동회로(전압이 부호를 바꾸면서 계속 진동하는 회로)와 동일한 방식으로 작동한다.

Laws of physics remain intact

물리법칙은 깨지지 않았다.

Until now, Schilling's team had only operated these thermal oscillating circuits using an energy source. The researchers have now shown for the first time that this kind of thermal oscillating circuit can also be operated "passively", i.e. with no external power supply. Thermal oscillations still occurred and, after a while, heat flowed directly from the colder copper to a warmer heat bath with a temperature of 22°C, without being temporarily transformed into another form of energy.

지금까지 Andreas Schilling이 이끄는 연구진은 에너지원을 사용하여 열진동회로를 작동하는 데에만 머물러 있었다. 하지만 이제 연구진은 사상 처음으로 열진동회로가 “수동적으로”, 즉 외부의 에너지 공급 없이도 작동할 수 있음을 보였다. 이번 실험에서도 열진동은 여전히 발생하였으며, 시간이 지나자 열은 차가운 구리 조각으로부터 상대적으로 더 뜨거운 섭씨 22도의 열원으로 흘렀다. 또 이 과정에서 열을 다른 형태의 에너지로 잠시 변환할 필요도 없었다.

Despite this, the authors were also able to show that the process does not actually contradict any laws of physics. To prove it, they considered the change in entropy of the whole system and showed that it increased with time—fully in accordance with the second law of thermodynamics.

참고로 논문 저자들은 해당 과정이 그 어떤 물리법칙도 위배하지 않음을 보였다. 이를 입증하기 위해 연구진은 전체 시스템의 엔트로피가 시간에 따라 증가하며, 따라서 열역학 제2법칙을 위배하지 않음을 보였다.

Potential application still a long way off

실제 적용을 위해서는 오랜 시간을 기다려야

Although the team recorded a difference of only about 2°C compared to the ambient temperature in the experiment, this was mainly due to the performance limitations of the commercial Peltier element used. According to Schilling, it would be possible in theory to achieve cooling of up to -47°C under the same conditions, if the "ideal" Peltier element—yet to be invented—could be used: "With this very simple technology, large amounts of hot solid, liquid or gaseous materials could be cooled to well below room temperature without any energy consumption."

비록 연구진은 주변온도 대비 섭씨 2도의 온도차를 얻는데 그쳤지만, 이는 현재 상용화된 펠티에 소자가 제한된 효율을 가지고 있기 때문이었다. Andreas Schilling의 설명에 따르면, 이론상으로는 “이상적인” 펠티에 소자를 사용할 경우 동일한 조건 하에서 섭씨 영하 47도까지 냉각이 가능하다고 한다: “이 단순한 기술을 사용하면 에너지를 쓰지 않고도 뜨거운 고체, 액체 또는 기체 물질을 실온보다 훨씬 낮게 냉각시킬 수 있습니다”.

Thermodynamic Magic: A simple technique allows to cool hot materials below ambient temperature without external intervention, seemingly defying the laws of physics. Credit: A. Schilling

열역학적 마법: 단순한 기술을 활용하면 뜨거운 물질을 외부의 간섭 없이도 주변 온도 아래로 냉각시킬 수 있는데, 이는 겉보기에 물리법칙을 위배하는 것처럼 보인다. 사진 제공 Andreas Schilling.

The passive thermal circuit could also be used as often as desired, without the need to connect it to a power supply. However, Schilling admits that a large-scale application of the technique is still a long way off. One reason for this is that the Peltier elements currently available are not efficient enough. Furthermore, the current set-up requires the use of superconducting inductors to minimize electric losses.

또한 수동적 열회로는 동력원에 연결하지 않고도 필요한 때마다 사용할 수 있다. 하지만 Andreas Schilling은 해당 기술이 대대적으로 활용되기까지는 갈 길이 멀다고 말한다. 현재 생산되고 있는 펠티에 소자의 효율이 매우 낮다는 것도 그 이유 중 하나이다. 더구나 지금의 방식으로는 전기 손실을 최소화하기 위해 초전도 인덕터가 필요하다.

Established perceptions challenged

기존의 인식에 도전하다

The UZH physicist considers the work more significant than a mere "proof-of-principle" study: "At first sight, the experiments appear to be a kind of thermodynamic magic, thereby challenging to some extent our traditional perceptions of the flow of heat."

Andreas Schilling는 해당 연구가 단순한 개념증명이 아니라고 말한다: “겉으로 보기에 해당 실험은 마치 열역학적 마법처럼 보이며, 열흐름에 대한 기존의 인식에 일부 도전하고 있습니다”.

More information: "Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a 'thermal inductor'" Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aat9953 , https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaat9953

논문정보: "열 인덕터를 활용한, 외부 간섭이 없는 저온에서 고온으로의 열흐름", 사이언스 어드밴스,  DOI: 10.1126/sciadv.aat9953 , https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaat9953