O.k., ich geb’s zu – da Kühlschränke eh immer zu klein sind, wenn man mal wieder versucht, den Einkauf oder die Essensreste unterzubringen, ist es praktisch gesehen eigentlich ziemlich unsinnig, sich darüber Gedanken zu machen, ob man auch einen mikroskopisch kleinen Quantenkühlschrank bauen kann. Trotzdem, zumindest theoretisch ist das Problem des kleinsten möglichen Kühlschranks gelöst – sein “Kühlaggregat” besteht aus insgesamt drei einzelnen Quanten; dennoch arbeitet er mit maximaler Efiizienz.
Ein Kühlschrank entzieht ja einem ohnehin schon kühleren Bereich (nämlich dem Kühlschrankinneren) Wärme und transportiert diese nach außen (in eure Küche). Das ist nicht gerade das normale Verhalten von unterschiedlich warmen Systemen, denn normalerweise fließt Wärme vom wärmeren zum kälteren Bereich, so dass sich die Temperaturen angleichen. Das jedenfalls ist die Aussage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Fließt Wärme vom wärmeren zum kälteren Körper, dann steigt die Entropie – fließt sie in die andere Richtung, dann sinkt die Entropie dagegen ab.
Aber bevor ihr jetzt auf einen Nobelpreis hofft – nein, euer Kühlschrank ist keine unglaubliche Widerlegung der Thermodynamik. Er senkt zwar tatsächlich lokal die Entropie, aber das tut er nicht einfach so – vielleicht ist euch schon mal aufgefallen, dass an jedem Kühlschrank immer so eine lange Schnur dran ist, die am Ende zwei Zapfen hat, und dass euer Kühlschrank nur dann funktioniert, wenn ihr die in ein passendes Loch in der Wand steckt. Von dort bezieht der Kühlschrank Energie – die wiederum stammt aus irgendeinem Kraftwerk, das seinerseits die Entropie erhöht (oder wiederum seine Energie aus der Sonne bezieht, dann ist es deren Entropie, die ansteigt). Durch Zufuhr von Energie kann man also Wärme in die “falsche” Richtung pumpen, ohne Ärger mit der Thermodynamik zu bekommen.
Die Thermodynamik sagt euch auch, wie groß genau der Wirkungsgrad eines Kühlschranks maximal sein kann, also wieviel Energie ihr reinstecken müsst, um wie viel Wärme vom kalten in den warmen Bereich zu bekommen. (Wenn ihr einen Kühlschrank bauen könnt, der einen höheren Wirkungsgrad hat, dann könnt ihr euch doch für den Nobelpreis anmelden.)
Ein typischer Haushaltskühlschrank ist ein Kompressorkühlschrank, der der zu kühlenden Seite Wärme entzieht, indem eine Flüssigkeit verdampft wird. Ein Kompressor drückt das entstehende Gas zusammen (dabei heizt es sich auf) und auf der warmen Seite bei hohem Druck kondensiert das Gas wieder zur Flüssigkeit, die dann – nach einem Druckminderer – wieder mit dem kühlen Bereich in Kontakt kommt. Dieses Bild von Wikipedia veranschaulicht das:
Von Benutzer:Hadhuey – selbst erstellt, PD-Schöpfungshöhe, Link
Da man es hier mit dem Hin- und Herpumpen eines Gases zu tun hat, könnte man annehmen, dass so eine Kältemaschine nur funktioniert, wenn man es mit einem thermodynamischen System zu tun hat , also einem Gas oder etwas ähnlichem, das aus sehr vielen Atomen besteht.
Eine neue Arbeit zeigt nun aber, dass das nicht der Fall ist – ein Kühlschrankaggregat kann aus drei Quanten (also beispielsweise drei Atomen) bestehen, die jeweils im Kontakt mit unterschiedlichen Wärmebädern stehen. Die Arbeit ist im Journal of Physics erschienen, aber es gibt eine sehr nette Zusammenfassung bei nature, aus der auch das folgende Bild stammt (zum Vergößern anklicken):
Wir haben zunächst ein Atom, das im Kontakt mit dem zu kühlenden Innenraum steht, der eine bestimmte – niedrige – Temperatur hat. Dieses Atom kann zwei Zustände einnehmen, den energetisch niedrigen Grundzustand (g) und den energetisch höheren angeregten Zustand (e=excited).
Nehmen wir an, dass das Atom anfänglich im Grundzustand ist – durch den Kontakt mit dem Innenraum, der ja eine endliche Temperatur hat, gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass das Atom energetisch angeregt wird. Man kann sich beispielsweise vorstellen, dass die Atome im Innenraum mit unserem Atom zusammenstoßen und dabei Energie übertragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass das passiert, folgt der berühmten Boltzmann-Formel.
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