Repenser Carnot: Les scientifiques surmontent le compromis traditionnel entre puissance et efficacité.

Le 31 janvier 2025 fonctionnalité Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les caractéristiques suivantes tout en garantissant la crédibilité du contenu : vérification des faits publication évaluée par des pairs source de confiance corrigé par Tejasri Gururaj, Phys.org Remettant en question des hypothèses centenaires sur la thermodynamique, une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters a montré qu'il est théoriquement possible de concevoir un moteur thermique qui atteint une puissance maximale tout en approchant l'efficacité de Carnot. Le moteur thermique de Carnot est un dispositif thermodynamique qui convertit la chaleur en travail mécanique en fonctionnant entre deux réservoirs de température, un chaud et un froid. Le moteur fonctionne en prélevant de la chaleur du réservoir chaud, en convertissant une partie en travail utile et en rejetant le reste de la chaleur dans le réservoir froid. Le cycle thermodynamique suivi par le moteur est connu sous le nom de cycle de Carnot. Dans un cas idéal, ce processus serait parfaitement réversible et le moteur Carnot aurait une efficacité maximale. En réalité, les vrais moteurs thermiques ne sont pas réversibles et perdent de l'énergie sous forme de chaleur. Ainsi, l'efficacité d'un vrai moteur thermique est toujours inférieure à celle d'un moteur thermique de Carnot fonctionnant entre les mêmes réservoirs. C'est la deuxième loi de la thermodynamique. Le défi de la construction d'un moteur thermique ayant une efficacité proche de celle du moteur thermique de Carnot est qu'il faut un temps infini pour effectuer le travail avec une puissance minimale. Les chercheurs ont abordé ce problème avec un moteur thermique biochimique. Phys.org s'est entretenu avec les co-auteurs de l'étude, le professeur Yu-Han Ma de l'Université Normale de Beijing et le Dr B. Shiling Liang du Centre de Biologie des Systèmes de Dresde. Le professeur Ma a déclaré : "Ce travail collaboratif est né d'une discussion entre Shiling et moi à la fin de 2022. À ce moment-là, dans ses premières explorations, Shiling a découvert que la dégénérescence pouvait augmenter l'efficacité maximale à la puissance (EMP) des moteurs thermiques." Le Dr Liang a ajouté : "En m'inspirant d'un modèle de pliage des polymères dans mon travail précédent, j'ai développé un moteur thermique minimal qui, de manière surprenante, a montré le potentiel de dépasser certaines limites acceptées en matière d'efficacité de moteur thermique à puissance maximale. Cette découverte inattendue m'a poussé à contacter Yu-Han, lançant notre collaboration sur ce projet." Les moteurs thermiques, qui convertissent l'énergie thermique en travail utile, ont été fondamentaux pour la civilisation humaine depuis la révolution industrielle. Cependant, ils ont toujours rencontré un compromis apparemment insurmontable lorsqu'il s'agit d'atteindre l'efficacité de Carnot. Ils pourraient soit fonctionner à une efficacité maximale en se déplaçant très lentement (produisant essentiellement aucune puissance), soit générer de la puissance utile en sacrifiant l'efficacité. Le plus notable est le "principe de l'universalité 1/2." Selon cela, les moteurs thermiques fonctionnant dans le régime de réponse linéaire (petites différences de température) ne peuvent atteindre que la moitié de l'efficacité de Carnot à puissance maximale. "Cette relation de compromis s'est avérée universelle dans diverses situations, notamment dans les moteurs thermiques à faible dissipation, où l'efficacité à puissance maximale a une limite supérieure claire, et il existe un écart significatif entre elle et l'efficacité de Carnot," a expliqué le professeur Ma. La solution est venue sous la forme d'un système avec des niveaux d'énergie dégénérés, ce qui signifie que chaque niveau d'énergie possède différents états ou configurations microscopiques, correspondant tous au même niveau d'énergie. Le modèle se compose de deux états, un état d'énergie faible et un état d'énergie élevée, l'état d'énergie élevée capable de contenir de nombreuses configurations moléculaires, c'est-à-dire une dégénérescence plus élevée. Il existe deux voies de réaction pour les transitions entre les niveaux d'énergie. Une réaction entraînée par l'hydrolyse de l'ATP se produit à basse température et une transition spontanée se produit à haute température. À haute température, le système tend naturellement vers l'état d'énergie élevée car il peut accéder aux nombreuses configurations possibles disponibles dans cet état. Cela rend la transition spontanée plus susceptible de se produire, et cette voie ne nécessite pas d'ATP. En revanche, à des températures plus basses, la réaction entraînée par l'hydrolyse de l'ATP est plus probable et peut faire passer le système de l'état d'énergie faible à l'état d'énergie élevée. À mesure que la taille du système augmente, c'est-à-dire que l'état d'énergie élevée peut contenir de plus en plus de configurations par rapport à l'état d'énergie faible, les transitions deviennent plus nettes ou semblables à un interrupteur. Ces types de transitions sont connus sous le nom de transitions de phase du premier ordre et se produisent avec une perte d'énergie minimale. "En construisant un modèle minimal intégrant cette caractéristique, nous pourrions démontrer comment il brise les limites thermodynamiques conventionnelles et révéler le mécanisme physique derrière cet avantage collectif," a expliqué le Dr Liang.Découvrez les dernières avancées en science, technologie et espace avec plus de 100 000 abonnés qui comptent sur Phys.org pour des informations quotidiennes. Inscrivez-vous à notre newsletter gratuite et recevez des mises à jour sur les percées, les innovations et les recherches importantes, quotidiennes ou hebdomadaires. Les chercheurs ont démontré que leur moteur biochimique peut atteindre l'efficacité de Carnot tout en maintenant une puissance maximale lorsque la taille du système approche l'infini. La puissance augmente de manière linéaire avec la taille du système tandis que l'efficacité se rapproche de la limite de Carnot. Le Dr Liang a parlé du principe de conception de leur modèle : "Concevoir des systèmes avec des états à haute dégénérescence peut augmenter significativement les performances des moteurs thermiques. C'est similaire à la manière dont le moteur de Carnot, même s'il est idéalisé, a guidé le développement de moteurs thermiques pratiques depuis des siècles. Même si une dégénérescence parfaite n'est pas atteignable, nous savons maintenant qu'augmenter la dégénérescence peut être une stratégie précieuse pour développer des moteurs thermiques plus efficaces." L'étude montre également la violation d'une universalité bien établie. Le professeur Ma a expliqué : "Notre recherche montre que cette universalité est violée dans la limite de grande dégénérescence. L'ordre de prendre les limites de l'efficacité de Carnot et de la dégénérescence affecte le coefficient de proportionnalité de l'EMP par rapport à l'efficacité de Carnot. Cela implique que lorsque le système possède une quantité intrinsèque divergente, certaines contraintes thermodynamiques conventionnelles peuvent devoir être réexaminées." De plus, le système fonctionne comme un moteur biochimique capable de synthétiser de l'ATP, ce qui le rend pertinent pour les systèmes biologiques. La prochaine étape consistera à trouver des moteurs thermiques pratiques avec ces propriétés, ce qui est un défi. Le Dr Liang a souligné que les biopolymères sont des candidats prometteurs, car ils possèdent naturellement des états dépliés hautement dégénérés. Pour plus d'informations : Shiling Liang et al, Modèle minimal pour l'efficacité de Carnot à puissance maximale, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. Sur arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323 Informations sur la revue : arXiv Physical Review Letters © 2025 Science X Network