Esta imagen muestra que cuando la configuración se gira a 0,5 rpm, el sistema experimental de la izquierda muestra que la parte más caliente (blanca) del anillo se fija en la parte inferior después de varios segundos de movimiento. La referencia de la derecha muestra que la parte más caliente del anillo se ha movido más alrededor del anillo junto con su movimiento.
Un estudio pionero realizado por investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) ha revelado un método para utilizar teorías de ondas mecánicas cuánticas para "bloquear" el calor en una posición fija.
Ordinariamente, una fuente de calor se difunde a través de un material conductor hasta que se disipa, pero el profesor asociado Cheng-Wei Qiu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería de la NUS y su equipo utilizaron el principio de simetría anti-paridad-tiempo (APT) para demostrar que es posible confinar el calor a un pequeño región de un anillo de metal sin que se extienda con el tiempo.
En el futuro, Este fenómeno recientemente demostrado podría utilizarse para controlar la difusión de calor de formas sofisticadas y optimizar la eficacia en sistemas que necesitan refrigeración. Los resultados del estudio se publicaron el 12 de abril de 2019 en la revista Ciencias .
Congelando la propagación del calor
"Imagina una gota de tinta en un chorro de agua. Después de un corto período de tiempo, verías que la tinta se esparce y fluye en la dirección de la corriente. Ahora imagina si esa gota de tinta se mantuviera del mismo tamaño y en la misma posición que el agua fluyó a su alrededor. Efectivamente, eso es lo que hemos logrado con la propagación del calor en nuestro experimento, "explicó el profesor asociado Qiu.
La configuración experimental de este estudio son dos anillos de metal que giran en oposición, intercalados junto con una fina capa de grasa. El movimiento de rotación de los anillos actúa como el flujo de la corriente en el escenario. Cuando se inyecta calor en un punto del sistema, la energía térmica puede permanecer en posición porque un anillo giratorio está acoplado al anillo contrarrotante según los principios de simetría APT.
Las condiciones de este experimento son bastante precisas para que tenga éxito. "De la teoría de la mecánica cuántica, puede calcular la velocidad necesaria para los anillos. Demasiado lento o demasiado rápido y romperás la condición, ", dijo el profesor adjunto Qiu. Cuando se rompen las condiciones, el sistema actúa de forma convencional, y el calor avanza a medida que gira el anillo.
Contrarrestando la tendencia
La aplicación de los principios de la simetría APT a los sistemas que involucran calor es una desviación total de la escuela de pensamiento actual en esta área. "Es drásticamente diferente de los temas de investigación más populares en la actualidad. En este campo, muchos grupos están trabajando en configuraciones de simetría de tiempo de paridad (PT), y casi todos están analizando la mecánica ondulatoria. Esta es la primera vez que alguien sale del dominio de las ondas, y demostró que la simetría APT es aplicable a sistemas basados en difusión como el calor, "declaró el profesor adjunto Qiu.
Esta demostración de un área fija de calor dentro del metal en movimiento parece contradictoria, como admite el profesor adjunto Qiu, "Antes de este estudio, la gente pensaba que se trataba de un área prohibida, pero podemos explicarlo todo. No viola ninguna ley de la física ". En realidad, La razón por la que el profesor asociado Qiu y su equipo pudieron controlar el calor fue mediante la introducción de un grado extra de libertad en su ingeniosa configuración experimental:la rotación de los anillos.
"Para que la simetría APT sea significativa en un sistema, debe haber algún elemento de pérdida y ganancia dentro de la configuración, y deben estar equilibrados. En un sistema de difusión térmica tradicional, La simetría APT no es consecuente porque no hay ganancia o pérdida de grado de libertad. Por eso, la rotación mecánica es el actor clave aquí, " él explicó.
Posibles aplicaciones y próximos pasos
Muchas tecnologías modernas requieren la eliminación eficiente del calor. Configuraciones mecánicas como motores, así como los componentes eléctricos y computacionales deben enfriarse de manera efectiva. En la actualidad, la mayoría de las tecnologías se enfrían con un flujo constante de líquido para eliminar el calor por convección.
"Este experimento muestra que debemos tener más cuidado al determinar la tasa de flujo y el diseño de estos sistemas, "Assoc Prof Qiu declaró. Si bien su configuración experimental contenía anillos de metal que giran en sentido contrario, el mismo principio podría aplicarse a otras configuraciones en flujo. "La percepción es que la circulación eliminará el calor simplemente, pero no siempre es necesariamente tan sencillo, "añadió.
Próximo, el equipo busca aumentar el tamaño de su experimento. "Por el momento, nuestra configuración está en el rango de centímetros, por eso queremos escalarlo al tamaño de motores reales o sistemas de engranajes. Los sistemas de engranajes a menudo tienen mecanismos de contrarrotación similares que generan calor, por lo que deseamos aplicar la teoría para disipar este calor de manera más eficiente, "Assoc Prof Qiu dijo.
