Heroverweging Carnot: Wetenschappers overwinnen traditionele macht-efficiëntie trade-off

31 januari 2025 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Editors hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze ervoor zorgen dat de inhoud geloofwaardig is:

gefactcheckt

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

nagekeken

door Tejasri Gururaj, Phys.org

De uitdagende eeuwenoude aannames over de thermodynamica, een nieuwe studie gepubliceerd in Physical Review Letters heeft aangetoond dat het theoretisch mogelijk is om een warmtemotor te ontwerpen die maximale energieopbrengst behaalt terwijl deze de Carnot-efficiëntie benadert.

De Carnot-warmtemotor is een thermodynamisch apparaat dat warmte omzet in mechanische arbeid door te werken tussen twee temperatuurreservoirs, een warm en een koud reservoir.

De motor werkt door warmte uit het warme reservoir te halen, een deel ervan om te zetten in nuttige arbeid en de resterende warmte af te voeren naar het koude reservoir. De thermodynamische cyclus gevolgd door de motor staat bekend als de Carnot-cyclus.

In een ideaal geval zou dit proces perfect omkeerbaar zijn en zou de Carnot-motor maximale efficiëntie hebben. In werkelijkheid zijn echte warmtemotoren niet omkeerbaar en gaat er energie verloren in de vorm van warmte.

Daarom is de efficiëntie van een echte warmtemotor altijd lager dan die van een Carnot-warmtemotor die tussen dezelfde reservoirs werkt. Dit is de tweede wet van de thermodynamica.

De uitdaging bij het bouwen van een warmtemotor die een efficiëntie heeft die dicht bij de Carnot-warmtemotor ligt, is dat het oneindig veel tijd kost om het werk met minimale energieopbrengst te doen.

De onderzoekers hebben dit probleem aangepakt met een biochemische warmtemotor. Phys.org sprak met de medeauteurs van de studie, Assistent Prof. Yu-Han Ma van de Beijing Normal University en Dr. B. Shiling Liang van het Center for Systems Biology Dresden.

Prof. Ma zei: 'Dit collaboratieve werk is ontstaan uit een discussie tussen Shiling en mij eind 2022. Op dat moment ontdekte Shiling in zijn vroege verkenningen dat degeneratie de efficiëntie bij maximale energieopbrengst (EMP) van warmtemotoren kon verhogen.'

Dr. Liang voegde toe: 'Gebruikmakend van een polymeer vouwmodel in mijn vorige werk, ontwikkelde ik een minimale warmtemotor die, verrassend genoeg, het potentieel liet zien om sommige geaccepteerde limieten voor de efficiëntie van een warmtemotor bij maximale energieopbrengst te overtreffen. Deze onverwachte ontdekking leidde mij ertoe om contact op te nemen met Yu-Han, waardoor onze samenwerking aan dit project begon.'

Warmtemotoren, die thermische energie omzetten in nuttige arbeid, zijn fundamenteel geweest voor de menselijke beschaving sinds de Industriële Revolutie.

Echter, ze hebben altijd te maken gehad met een ogenschijnlijk onoverkomelijke afweging als het gaat om het bereiken van de Carnot-efficiëntie. Ze konden ofwel werken op maximale efficiëntie door heel langzaam te bewegen (feitelijk geen energie produceren) of nuttige energie genereren door efficiëntie op te offeren.

De meest opvallende is het '1/2-universaliteitsprincipe.' Volgens dit principe kunnen warmtemotoren die werken in het regime van lineaire respons (kleine temperatuurverschillen) slechts de helft van de Carnot-efficiëntie bereiken bij maximale energieopbrengst.

'Deze afwegingsrelatie is bewezen universeel te zijn in verschillende situaties, vooral in warmtemotoren met lage dissipatie, waar de efficiëntie bij maximale energieopbrengst een duidelijk bovengrens heeft en er een aanzienlijk verschil is tussen deze en de Carnot-efficiëntie,' legde Prof. Ma uit.

De oplossing kwam in de vorm van een systeem met gedegenereerde energieniveaus, wat betekent dat elk energieniveau verschillende microscopische toestanden of configuraties heeft, die allemaal overeenkomen met hetzelfde energieniveau.

Het model bestaat uit twee toestanden, een lage en hoge-energietoestand, waarbij de hogere energietoestand in staat is om veel meer moleculaire configuraties te bevatten, oftewel een hogere degeneratie.

Er zijn twee reactiepaden voor overgangen tussen de energieniveaus. Een ATP-hydrolyse-gedreven reactie treedt op bij lage temperaturen en een spontane overgang vindt plaats bij hoge temperaturen.

Bij hoge temperaturen neigt het systeem van nature naar de hoge-energietoestand omdat het de vele mogelijke configuraties kan benaderen die beschikbaar zijn in deze toestand. Dit maakt de spontane overgang waarschijnlijker, en dit traject heeft geen ATP nodig.

Aan de andere kant is bij lagere temperaturen de ATP-hydrolyse-gedreven reactie waarschijnlijker en kan het systeem van de lage-energietoestand naar de hoge toestand drijven.

Naarmate de systeemgrootte toeneemt, wat betekent dat de hoge-energietoestand steeds meer configuraties kan bevatten in vergelijking met de lage-energietoestand, worden de overgangen scherper of switch-achtig. Dit soort overgangen staan bekend als faseovergangen van de eerste orde en vinden plaats met minimaal energieverlies.

'Door een minimaal model te construeren dat deze eigenschap omvat, konden we aantonen hoe het conventionele thermodynamische grenzen doorbreekt en de fysieke mechanismen achter het collectieve voordeel onthult,' legde Dr. Liang uit.

Ontdek het laatste nieuws op het gebied van wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoeken die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

De onderzoekers hebben aangetoond dat hun biochemische motor Carnot-efficiëntie kan bereiken terwijl het maximale vermogensuitvoer behoudt wanneer de systeemgrootte naar oneindig nadert. Het vermogen schaalt lineair met de systeemgrootte terwijl de efficiëntie de Carnot-limiet benadert.

Dr. Liang sprak over het ontwerpprincipe van hun model 'Het ontwerpen van systemen met een hoge mate van degeneratieve toestanden kan de prestaties van warmtemotoren aanzienlijk verbeteren.

'Dit is vergelijkbaar met hoe de Carnot-motor, hoewel geïdealiseerd, de ontwikkeling van praktische warmtemotoren al eeuwenlang heeft geleid. Zelfs als perfecte degeneratie niet haalbaar is, weten we nu dat het verhogen van degeneratie een waardevolle strategie kan zijn voor het ontwikkelen van efficiëntere warmtemotoren.'

De studie toont ook de schending aan van een goed gevestigde universaliteit.

Prof. Ma legde uit: 'Ons onderzoek toont aan dat deze universaliteit wordt geschonden in het geval van grote degeneratie.

'De volgorde van de limieten van de Carnot-efficiëntie en de degeneratie beïnvloedt de evenredigheidscoëfficiënt van de EMP ten opzichte van de Carnot-efficiëntie. Dit impliceert dat wanneer het systeem een divergerende intrinsieke hoeveelheid heeft, enkele conventionele thermodynamische beperkingen opnieuw moeten worden onderzocht.'

Bovendien werkt het systeem als een biochemische motor die ATP kan synthetiseren, waardoor het relevant is voor biologische systemen. De volgende stap zou zijn om praktische warmtemotoren met deze eigenschappen te vinden, wat een uitdaging is. Dr. Liang wees erop dat biopolymeren veelbelovende kandidaten zijn, aangezien ze van nature sterk gedegenereerde ontvouwde toestanden bezitten.

Meer informatie: Shiling Liang et al, Minimaal model voor Carnot-efficiëntie bij maximaal vermogen, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. Op arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323

Tijdschrift informatie: arXiv, Physical Review Letters

© 2025 Science X Network