Ripensando a Carnot: Gli scienziati superano il tradizionale compromesso tra potenza ed efficienza

31 gennaio 2025

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di Tejasri Gururaj, Phys.org

Sfidando le assunzioni centenarie sulla termodinamica, uno studio pubblicato su Physical Review Letters ha dimostrato che è teoricamente possibile progettare un motore termico che raggiunge la massima potenza con un'efficienza prossima a quella di Carnot.

Il motore termico di Carnot è un dispositivo termodinamico che converte il calore in lavoro meccanico operando tra due serbatoi di calore, uno caldo e uno freddo.

Il motore funziona prendendo calore dal serbatoio caldo, convertendone parte in lavoro utile e rilasciando il calore residuo al serbatoio freddo. Il ciclo termodinamico seguito dal motore è noto come ciclo di Carnot.

In un caso ideale, questo processo sarebbe perfettamente reversibile e il motore di Carnot avrebbe l'efficienza massima. Nella realtà, però, i veri motori termici non sono reversibili e perdono energia sotto forma di calore.

Pertanto, l'efficienza di un vero motore termico è sempre inferiore a quella di un motore di Carnot che opera tra gli stessi serbatoi. Questo è il secondo principio della termodinamica.

La sfida nel costruire un motore termico con un'efficienza simile a quella del motore di Carnot è che ci vuole tempo infinito per svolgere il lavoro con una potenza minima.

I ricercatori hanno affrontato questo problema con un motore termico biochimico. Phys.org ha parlato con i co-autori dello studio, il Prof. Assistente Yu-Han Ma dell'Università Normale di Pechino e il Dr. B. Shiling Liang del Centro di Biologia dei Sistemi di Dresda.

Il Prof. Ma ha detto: "Questo lavoro collaborativo è nato da una discussione tra Shiling e me alla fine del 2022. In quel momento, nelle sue prime esplorazioni, Shiling ha scoperto che la degenerazione potrebbe aumentare l'efficienza alla massima potenza (EMP) dei motori termici."

Il Dr. Liang ha aggiunto: "Attingendo da un modello di piegatura dei polimeri nel mio lavoro precedente, ho sviluppato un motore termico minimo che, sorprendentemente, ha mostrato il potenziale di superare alcuni limiti accettati sull'efficienza del motore termico alla massima potenza. Questa scoperta inaspettata mi ha portato a contattare Yu-Han, iniziando così la nostra collaborazione su questo progetto."

I motori termici, che convertono l'energia termica in lavoro utile, sono stati fondamentali per la civiltà umana sin dalla Rivoluzione Industriale.

Tuttavia, si sono sempre trovati di fronte a un compromesso apparentemente insormontabile quando si tratta di raggiungere l'efficienza di Carnot. Potrebbero operare all'efficienza massima muovendosi molto lentamente (essenzialmente non producendo potenza) o generare potenza utile sacrificando l'efficienza.

Il più notevole è il principio di "1/2 universalità". Secondo questo principio, i motori termici che operano nel regime di risposta lineare (piccole differenze di temperatura) possono raggiungere solo la metà dell'efficienza di Carnot alla massima potenza.

"Questo rapporto compromesso è stato dimostrato essere universale in varie situazioni, specialmente nei motori termici a bassa dissipazione, dove l'efficienza alla massima potenza ha un chiaro limite superiore e c'è un divario significativo tra essa e l'efficienza di Carnot", ha spiegato il Prof. Ma.

La soluzione è arrivata sotto forma di un sistema con livelli di energia degeneri, il che significa che ciascun livello energetico ha diversi stati o configurazioni microscopiche, tutti corrispondenti allo stesso livello energetico.

Il modello consiste in due stati, uno a bassa ed uno ad alta energia, con lo stato ad energia più alta capace di ospitare molte più configurazioni molecolari, cioè una maggiore degenerazione.

Ci sono due percorsi di reazione per le transizioni tra i livelli energetici. Una reazione guidata dall'idrolisi dell'ATP avviene a basse temperature e la transizione spontanea avviene ad alte temperature.

Ad alte temperature, il sistema tende naturalmente verso lo stato ad alta energia perché può accedere alle molte configurazioni possibili disponibili in questo stato. Questo rende la transizione spontanea più probabile, e questo percorso non richiede ATP.

Al contrario, a temperature più basse, la reazione guidata dall'idrolisi dell'ATP è più probabile e può spingere il sistema dallo stato ad energia bassa a quello alto.

All'aumentare delle dimensioni del sistema, cioè dello stato ad alta energia che può ospitare sempre più configurazioni rispetto allo stato ad energia bassa, le transizioni diventano più nitide o simili ad un'interruttore. Questi tipi di transizioni sono noti come transizioni di fase del primo ordine e avvengono con una perdita minima di energia.

"Costruendo un modello minimo che incorpora questa caratteristica, abbiamo potuto dimostrare come esso infranga i limiti termodinamici convenzionali e rivelare il meccanismo fisico dietro il vantaggio collettivo", ha spiegato il Dr. Liang.

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I ricercatori hanno dimostrato che il loro motore biochimico può raggiungere l'efficienza di Carnot mantenendo al contempo la massima potenza in uscita man mano che la dimensione del sistema si avvicina all'infinito. La potenza aumenta linearmente con la dimensione del sistema mentre l'efficienza si avvicina al limite di Carnot.

Il Dott. Liang ha parlato del principio di progettazione del loro modello: "Progettare sistemi con stati ad alta degenerazione può significativamente migliorare le prestazioni del motore termico.

"Ciò è simile al modo in cui il motore di Carnot, pur essendo idealizzato, ha guidato lo sviluppo di motori termici pratici per secoli. Anche se la perfetta degenerazione non è raggiungibile, ora sappiamo che aumentare la degenerazione può essere una strategia valida per lo sviluppo di motori termici più efficienti."

Lo studio mostra anche la violazione di una universalità ben consolidata.

Il Prof. Ma ha spiegato: "La nostra ricerca mostra che questa universalità viene violata nel limite di grande degenerazione.

"L'ordine nel prendere i limiti dell'efficienza di Carnot e della degenerazione influisce sul coefficiente di proporzionalità dell'EMP rispetto all'efficienza di Carnot. Ciò implica che quando il sistema ha una quantità intrinseca divergente, alcune convenzioni termodinamiche convenzionali potrebbero dover essere rivalutate."

Inoltre, il sistema funziona come un motore biochimico in grado di sintetizzare ATP, rendendolo rilevante per i sistemi biologici. Il passo successivo sarebbe trovare motori termici pratici con queste proprietà, cosa che rappresenta una sfida. Il Dott. Liang ha sottolineato che i biopolimeri sono candidati promettenti, poiché possiedono naturalmente stati altamente degeneri non strutturati.

Maggiori informazioni: Shiling Liang et al, Modello Minimo per l'Efficienza di Carnot al Massimo di Potenza, Lettere di Revisione Fisica (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. Su arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323

Informazioni sulla rivista: arXiv, Lettere di Revisione Fisica

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