Second law of thermodynamics: Spontaneous cold-to-hot heat transfer in a nonchaotic medium

热力学 传热 热力学第二定律 物理
作者
Yu Qiao,Zhaoru Shang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:110 (5)
标识
DOI:10.1103/physreve.110.054113
摘要

It has long been known that, fundamentally different from a large body of rarefied gas, when a Knudsen gas is immersed in a thermal bath, it may never reach thermal equilibrium. The root cause is nonchaoticity: as the particle-particle collisions are sparse, the particle trajectories tend to be independent of each other. Usually, this counterintuitive phenomenon is studied through kinetic theory and is not considered a thermodynamic problem. In current research, we show that if incorporated in a compound setup, such an intrinsically nonequilibrium behavior has nontrivial consequences and cannot circumvent thermodynamics: cold-to-hot heat transfer may happen spontaneously, either continuously (with an energy barrier), or cyclically (with time-dependent entropy barriers). It allows for production of useful work by absorbing heat from a single thermal reservoir without any other effect. As the system obeys the first law of thermodynamics, it breaks the boundaries of the second law of thermodynamics.
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