Průlom v termodynamice: Vědci objevili, jak pevné látky „vzpomínají“ na svou minulost

Mnoho pevných materiálů si „pamatuje“ svou minulost – jejich reakce se liší poté, co byly nataženy, zahřáty nebo ochlazeny. Tento jev, známý jako hystereze, je klíčový pro technologie, jako jsou paměťová zařízení, materiály pro přeměnu energie a odolné konstrukční materiály.

Mnoho pevných materiálů si „pamatuje“ svou minulost – jejich reakce se liší poté, co byly nataženy, zahřáty nebo ochlazeny. Tento jev, známý jako hystereze, je klíčový pro technologie, jako jsou paměťová zařízení, materiály pro přeměnu energie a odolné konstrukční materiály. Až dosud však hystereze představovala problém pro termodynamiku, která tradičně popisuje stav materiálu pomocí proměnných, jako je teplota a objem. U pevných látek však stejná teplota a objem mohou odpovídat různým vlastnostem v závislosti na předchozím zacházení, což vedlo k tomu, že hystereze byla považována za nerovnovážný jev mimo standardní termodynamický rámec.

Profesor Koun Shirai z Graduate School of Engineering na Ósacké univerzitě nyní ukázal, že hysterezi v pevných látkách lze termodynamicky popsat. Jeho studie, publikovaná v International Journal of Thermophysics, argumentuje, že obtíž spočívá v tom, že teplota a objem samy o sobě nestačí k určení stavu pevné látky. Místo toho musí úplný stav pevné látky zahrnovat její atomovou konfiguraci – časově zprůměrované rovnovážné pozice všech atomů tvořících materiál. To znamená, že závislost na historii neznamená selhání termodynamiky, ale spíše přehlédnutí některých nezbytných stavových proměnných.

Shirai vysvětluje, že i když se vstupní proměnná a odezva vrátí k původním hodnotám, skrytá proměnná se nemusí vrátit. Tuto skrytou proměnnou identifikuje jako atomovou konfiguraci pevné látky. Defekty, dislokace, skleněné struktury a další mikroskopická uspořádání mohou zůstat stabilní po konečnou dobu a ovlivňovat vlastnosti materiálu. Tyto konfigurace nejsou pouhými stopami minulých procesů; v rámci svých relaxačních časů je lze považovat za rovnovážné stavy. Tento přístup také objasňuje, proč se pevné látky liší od plynů, pro které často postačuje malý počet makroskopických stavových proměnných. U pevných látek však vnitřní energie závisí na detailní struktuře, a proto musí termodynamický popis zahrnovat atomové pozice jako stavové proměnné.

Tato práce nepředkládá jednoduchý vzorec pro každou hysterezní smyčku, ale spíše stanovuje zásadnější bod: hysterezi lze v zásadě popsat pomocí termodynamických proměnných, za předpokladu, že je zahrnuta relevantní atomová konfigurace a proces je považován za kvazistatický. Vzhledem k tomu, že hystereze je široce využívána v inženýrství, tento teoretický základ by mohl podpořit budoucí výzkum paměťových materiálů, systémů pro přeměnu energie a dalších technologií pevných látek. Studie naznačuje, že chování komplexních systémů závislé na historii lze v rámci termodynamiky řešit, pokud jsou identifikovány správné stavové proměnné.