Omprövandet av Carnot: Forskare övervinner traditionellt kraft-effektivitetsavvägning

31 januari 2025

Detta artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och riktlinjer. Redaktörerna har framhävt följande attribut medan de säkerställer innehållets trovärdighet:

faktakollad

peer-reviewed publicering

pålitlig källa

korrekturläst

av Tejasri Gururaj, Phys.org

Utmanande sekelgamla antaganden om termodynamik har en ny studie som publicerats i Physical Review Letters visat att det teoretiskt är möjligt att designa en värmemotor som uppnår maximal effekt medan den närmar sig Carnots effektivitet.

Carnots värmemotor är en termodynamisk enhet som omvandlar värme till mekaniskt arbete genom att fungera mellan två temperaturreservoarer, en varm och en kall.

Motorn fungerar genom att ta värme från det varma reservoaren, omvandla en del av den till användbart arbete och avvisa den återstående värmen till det kalla reservoaren. Den termodynamiska cykeln som motorn följer är känd som Carnots cykel.

I ett idealfall skulle denna process vara helt återvinningsbar och Carnots motor skulle ha maximal effektivitet. I verkligheten är verkliga värmemotorer inte återvinningsbara och förlorar energi i form av värme.

Därför är effektiviteten hos en verklig värmemotor alltid lägre än för en Carnots värmemotor som fungerar mellan samma reservoarer. Detta är termodynamikens andra lag.

Utmaningen med att bygga en värmemotor som har en effektivitet nära Carnots värmemotor är att det tar oändlig tid att utföra arbetet med minimal effekt.

Forskarna adresserade detta problem med en bio-kemisk värmemotor. Phys.org intervjuade medförfattarna till studien, biträdande professor Yu-Han Ma från Beijing Normal University och Dr. B. Shiling Liang från Center for Systems Biology Dresden.

Prof. Ma sa: "Detta samarbete uppstod från en diskussion mellan Shiling och mig i slutet av 2022. Vid den tiden, i hans tidiga utforskningar, upptäckte Shiling att degenerering kan öka effektiviteten vid maximal effekt (EMP) för värmemotorer."

Dr. Liang tillade: "Genom att dra från en polymerfäldningsmodell i mitt tidigare arbete utvecklade jag en minimal värmemotor som, överraskande nog, visade potential att överträffa vissa accepterade gränser för värmemotorers effektivitet vid maximal effekt. Denna oväntade upptäckt fick mig att kontakta Yu-Han, vilket inledde vårt samarbete i detta projekt."

Värmemotorer, som omvandlar termisk energi till användbart arbete, har varit grundläggande för mänsklig civilisation sedan industriella revolutionen.

De har dock alltid stått inför en till synes övermäktig kompromiss när det gäller att nå Carnots effektivitet. De kunde antingen fungera med maximal effektivitet genom att röra sig mycket långsamt (i princip inte producera någon kraft) eller generera användbar kraft genom att offra effektivitet.

En av de mest anmärkningsvärda är '1/2-universalitetsprincipen'. Enligt denna princip kan värmemotorer som fungerar i det linjära responsregistret (små temperaturskillnader) endast uppnå hälften av Carnots effektivitet vid maximal effekt.

"Denna kompromissrelation har visat sig vara universell i olika situationer, särskilt i lågdissipationsvärmemotorer, där effektiviteten vid maximal effekt har en tydlig övre gräns och det finns en betydande skillnad mellan detta och Carnots effektivitet," förklarade Prof. Ma.

Lösningen kom i form av ett system med degenererade energinivåer, vilket innebär att varje energinivå har olika mikroskopiska tillstånd eller konfigurationer, alla motsvarande samma energinivå.

Modellen består av två tillstånd, ett låg- och högenergitillstånd, där det högre energitillståndet kan rymma många fler molekylära konfigurationer, dvs. en högre degenerering.

Det finns två reaktionsvägar för övergångar mellan energinivåerna. En ATP-hydrolysdriven reaktion sker vid låga temperaturer och spontana övergångar sker vid höga temperaturer.

Vid höga temperaturer tenderar systemet naturligt mot det högenergitillståndet eftersom det kan komma åt de många potentiella konfigurationer som finns tillgängliga i detta tillstånd. Detta gör den spontana övergången mer sannolik att ske, och denna väg kräver inte ATP.

Å andra sidan, vid lägre temperaturer är den ATP-hydrolysbaserade reaktionen mer sannolik och kan driva systemet från det lågenergitillståndet till det högre.

När systemets storlek ökar, vilket innebär att det högenergitillståndet kan rymma fler och fler konfigurationer jämfört med det lågenergitillståndet, blir övergångarna mer skarpa eller switch-liknande. Dessa typer av övergångar är kända som första ordningens fasövergångar och sker med minimal energiförlust.

"Genom att konstruera en minimal modell med denna funktion kunde vi visa hur den bryter konventionella termodynamiska gränser och avslöja den fysiska mekanismen bakom kollektiv fördel," förklarade Dr. Liang.

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Signa upp dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något – dagligen eller veckovis. Forskarna visade att deras biokemiska motor kan uppnå Carnot-effektivitet samtidigt som den bibehåller maximal effekt vid en systemstorlek som närmar sig oändligheten. Effekten skalar linjärt med systemstorleken medan effektiviteten närmar sig Carnot-gränsen. Dr. Liang talade om designprincipen för deras modell, 'Att konstruera system med höga degenererade tillstånd kan signifikant förbättra värmemotorns prestanda. 'Detta är liknande hur Carnot-motorn, även om den är idealiserad, har väglett utvecklingen av praktiska värmemotorer i århundraden. Även om perfekt degenerering inte är uppnåelig, vet vi nu att ökad degenerering kan vara en värdefull strategi för att utveckla effektivare värmemotorer.' Studien visar också överträdelse av en väl etablerad universalitet. Prof. Ma förklarade, 'Vår forskning visar att denna universalitet överträds i gränsen för stor degenerering. 'Ordningen att ta gränserna för Carnot-effektivitet och degenerering påverkar proportionalkoefficienten för EMP med avseende på Carnot-effektiviteten. Detta innebär att när systemet har en divergerande intrinsisk kvantitet kan vissa konventionella termodynamiska begränsningar behöva omprövas.' Dessutom fungerar systemet som en biokemisk motor som kan syntetisera ATP, vilket gör det relevant för biologiska system. Nästa steg skulle vara att hitta praktiska värmemotorer med dessa egenskaper, vilket är en utmaning. Dr. Liang påpekade att biopolymerer är lovande kandidater, eftersom de naturligt besitter högt degenererade utfällda tillstånd. Mer information: Shiling Liang m.fl., Minimal modell för Carnot-effektivitet vid maximal effekt, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.027101. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02323 Tidskriftsinformation: arXiv, Physical Review Letters © 2025 Science X Network