Przemyślenie koncepcji Carnota: Naukowcy pokonali tradycyjny kompromis między mocą a wydajnością

31 stycznia 2025 funkcja

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

zweryfikowane faktami

publikacja z recenzją przez rówieśników

zaufane źródło

skorygowane

przez Tejasri Gururaj , Phys.org

Wyzwanie stuletnich założeń dotyczących termodynamiki, nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters wykazało, że teoretycznie możliwe jest zaprojektowanie silnika cieplnego, który osiąga maksymalną moc wyjściową, zbliżając się do sprawności Carnota.

Silnik cieplny Carnota to urządzenie termodynamiczne, które przekształca ciepło w pracę mechaniczną, działając między dwoma zbiornikami ciepła, gorącym i zimnym.

Silnik pobiera ciepło z gorącego zbiornika, zamieniając część z niego w użyteczną pracę, a pozostałe ciepło odrzuca do zimnego zbiornika. Cykl termodynamiczny, którym kieruje się silnik, jest znany jako cykl Carnota.

W idealnym przypadku ten proces byłby całkowicie odwracalny, a silnik Carnota miałby maksymalną sprawność. W rzeczywistości jednak prawdziwe silniki cieplne nie są odwracalne i tracą energię w postaci ciepła.

Dlatego sprawność rzeczywistego silnika cieplnego zawsze jest mniejsza niż silnika Carnota, działającego między tymi samymi zbiornikami. To jest druga zasada termodynamiki.

Problematyczne w budowie silnika cieplnego o sprawności zbliżonej do silnika Carnota jest to, że wykonanie pracy z minimalną mocą zajmuje nieskończenie długi czas.

Badacze zajęli się tym problemem za pomocą silnika cieplnego biokomórkowego. Phys.org rozmawiał z współautorami badania, prof. Yu-Han Ma z Uniwersytetu Normalnego Pekinu i dr. B. Shiling Liang z Centrum Biologii Systemowej w Dreźnie.

Prof. Ma powiedział: „Ta wspólna praca wywodzi się z dyskusji między Shilingiem a mną pod koniec 2022 roku. Wówczas, na początku swoich eksploracji, Shiling odkrył, że degeneracja mogła zwiększyć sprawność przy maksymalnej mocy silników cieplnych”.

Dr Liang dodał: „Odnosząc się do modelu składania polimerów w mojej poprzedniej pracy, opracowałem minimalny silnik cieplny, który, zaskakująco, miał potencjał przekroczenia niektórych akceptowanych ograniczeń dotyczących sprawności silnika cieplnego przy maksymalnej mocy. To niespodziewane odkrycie skłoniło mnie do skontaktowania się z Yu-Hanem i rozpoczęcia naszej współpracy nad tym projektem”.

Silniki cieplne, które przekształcają energię cieplną w użyteczną pracę, są fundamentalne dla cywilizacji ludzkiej od czasów rewolucji przemysłowej.

Jednak zawsze borykały się one z pozornie nie do pokonania wymianą przy osiąganiu sprawności Carnota. Mogły albo działać z maksymalną sprawnością poruszając się bardzo powoli (w praktyce nie produkując mocy) albo generować użyteczną moc, poświęcając sprawność.

Najbardziej zauważalna jest „uniwersalna zasada 1/2”. Zgodnie z nią silniki cieplne działające w reżimie odpowiedzi liniowej (małe różnice temperatury) mogą osiągnąć jedynie połowę sprawności Carnota przy maksymalnej mocy.

„Ta zależność wymiany została udowodniona jako uniwersalna w różnych sytuacjach, szczególnie w silnikach o niskiej dyssypacji, gdzie sprawność przy maksymalnej mocy ma wyraźne ograniczenie górne, a między nią a sprawnością Carnota istnieje znacząca różnica” - wyjaśnił prof. Ma.

Rozwiązanie pojawiło się w postaci systemu z degenerowanymi poziomami energii, co oznacza, że każdy poziom energii ma różne mikroskopijne stany lub konfiguracje odpowiadające temu samemu poziomowi energii.

Model składa się z dwóch stanów, niskiego i wysokiego poziomu energii, przy czym stan wysokiej energii może pomieścić wiele więcej konfiguracji molekularnych, czyli posiada większą degenerację.

Istnieją dwa szlaki reakcji umożliwiające przejścia między poziomami energii. Reakcja napędzana hydrolizą ATP zachodzi w niskich temperaturach, a spontaniczne przejścia mają miejsce w wysokich temperaturach.

W wysokich temperaturach system naturalnie dąży do stanu wysokiej energii, ponieważ ma dostęp do wielu możliwych konfiguracji dostępnych w tym stanie. Sprawia to, że spontaniczne przejścia stają się bardziej prawdopodobne, a ten szlak nie wymaga ATP.

Z kolei w niższych temperaturach reakcja napędzana hydrolizą ATP jest bardziej prawdopodobna i może doprowadzić do przesunięcia systemu z niskiego stanu energetycznego do wysokiego.

Im rozmiar systemu jest większy, czyli stan wysokiej energii może pomieścić coraz więcej konfiguracji w porównaniu do stanu niskiego, tym bardziej stają się ostre lub przełącznicowe przejścia. Te rodzaje przejść są znane jako przejścia fazowe pierwszego rodzaju i zachodzą z minimalną stratą energii.

„Poprzez stworzenie minimalnego modelu uwzględniającego tę cechę, mogliśmy pokazać, jak łamie on konwencjonalne granice termodynamiczne i ujawnić fizyczny mechanizm zalety zbiorczej” - wyjaśnił dr. Liang.

Odkryj najnowsze informacje ze świata nauki, technologii i kosmosu z udziałem ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org codziennie dla wglądów.          Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów,          innowacje i badania, które mają znaczenie - codziennie lub co tydzień.

Badacze wykazali, że ich silnik biochemiczny może osiągać efektywność Carnota, utrzymując jednocześnie maksymalną moc wyjściową w miarę zbliżania się rozmiaru systemu do nieskończoności. Moc skaluje się liniowo wraz z wielkością systemu, podczas gdy efektywność zbliża się do granicy Carnota.

Dr Liang mówił o zasadzie projektowania ich modelu, „Systemy inżynieryjne z dużą liczbą stanów degeneracyjnych mogą znacznie zwiększyć wydajność silnika cieplnego.

„To jest podobne do tego, jak silnik Carnota, choć idealizowany, kierował rozwojem praktycznych silników cieplnych od wieków. Nawet jeśli perfekcyjna degeneracja nie jest osiągalna, teraz wiemy, że zwiększenie degeneracji może być cenną strategią w celu opracowania bardziej wydajnych silników cieplnych.

Badanie pokazuje także naruszenie ugruntowanej uniwersalności.

Prof. Ma wyjaśnił: „Nasze badania pokazują, że ta uniwersalność jest naruszona w granicy dużej degeneracji.

„Porządek przyjmowania granic efektywności Carnota i degeneracji ma wpływ na współczynnik proporcjonalności EMP w odniesieniu do efektywności Carnota. Oznacza to, że gdy system ma rozbieżną ilość wewnętrznych wartości, niektóre klasyczne ograniczenia termodynamiczne mogą wymagać ponownego zbadania.

Ponadto system działa jako silnik biochemiczny, który może syntetyzować ATP, co czyni go istotnym dla systemów biologicznych. Następnym krokiem będzie znalezienie praktycznych silników cieplnych z tymi właściwościami, co stanowi wyzwanie. Dr Liang zauważył, że biopolimery są obiecującymi kandydatami, ponieważ naturalnie posiadają silnie degenerowane stany rozłożone.

Więcej informacji:                                         Shiling Liang et al, Minimal Model for Carnot Efficiency at Maximum Power, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. Na arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323

Informacje o czasopismie:                                         arXiv                                         , Physical Review Letters

© 2025 Sieć Science X