تكبير / لا شيء من هذه المحركات البخارية تقترب من كفاءة Carnot شاتفيلد
تقريبا كل الفيزياء الحديثة تأتي لفهم البخار محركات. نعم ، لدينا كل أنواع القوانين الهوى حول الكون والذرات ، لكن الديناميكا الحرارية تحكمها كلها (وليس في سورون أسلوب الديكتاتورية الخيرية). عندما يصفقك الديناميكا الحرارية ، أنت أشعر به. في ورقة نظرية جديدة ، زوج من الفيزيائيين لقد خاطروا بالصفع بطبيعته. لقد اقترحوا محركًا حراريًا التي قد تكون عملية – لقيمة معينة من العملية – وتعمل قريبة جدا من حدود القانون الفيزيائي.
قواعد كارنو
واحد الحد الشهير للديناميكا الحرارية هو أن محركات الحرارة ، مثل المحركات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي ، يجب أن تكون أقل كفاءة من محرك حرارة Carnot (دورة تصميم محرك حراري من قبل المهندس الفرنسي كارنو). على الرغم من كفاءة كارنو من السهل جدا حساب ، وبناء محرك يعمل في ذلك الكفاءة غير عملي للغاية.
انها ليست مجرد ميكانيكا غير عملية لمثل هذا المحرك. ال طبيعة جدا من المحرك يشير إلى أن التشغيل المثالي يتم تحقيق الكفاءة فقط من أجل انتاج الطاقة صفر. ليست مفيدة جدا ، بكلمات كثيرة لكنه يحصل حتى أقل فائدة من ذلك. بواسطة الخوض في التفاصيل ، تجد أنه كقوة الإخراج يقترب من الصفر ، والتقلبات في انتاج الطاقة تصبح كبيرة جدا. وبعبارة أخرى ، حتى لو استطعنا بناء مثل هذا المحرك ، فإنه سيفعل ذلك تشغيل خاطئ ودفع المشغل مجنون.
يكمن مصدر المشكلة في كيفية عمل جميع المحركات الحرارية. يتم العمل عن طريق أخذ الحرارة من خزان الطاقة (الحرارة مصدر) وتسليمها إلى منطقة باردة ، واستخراج الطاقة على الطريقة. يتم تسليم الطاقة الحرارية عن طريق الجسيمات أو الأمواج. inفي كلتا الحالتين ، فإن المسار الذي يتبعونه من خلال الطاقة منظر طبيعي عشوائي. فقط في المتوسط لا يتبعون وصف مسار كارنو.
كما ينخفض انتاجنا السلطة (ونحن نقترب من كارنو الكفاءة) ، عدد الجسيمات التي توفر الطاقة يقلل إلى واحد أو اثنين فقط تمر الدورة في وقت واحد. لذا الطاقة تعطى لكل وحدة الوقت المسار الفردي لهذه واحد أو اثنين الجزيئات ، والتي قد تكون مختلفة جدا عن المتوسط. وبالتالي ، فإن الطاقة في الوقت يتقلب. في محرك مثالي ، هذه التقلبات ضرب اللانهاية كما بلغ متوسط القوة تسليمها الصفر ، وهو حيث يصل متوسط الكفاءة إلى Carnot كفاءة.
كارنو الترددية
هذه النتائج ، مع ذلك ، تتعلق بمحرك حراري يعمل بشكل متواصل. ماذا عن المحرك الذي يعمل بشكل دوري؟ اتضح أن ركوب الدراجات في المحرك يتيح زوج من الخصائص الرائعة. أولا ، يبدو أن المحركات قد يكون عمليًا – سنصل إلى ما يعنيه ذلك قليلاً – حتى على الرغم من أنها تستخدم نفس مجموعة العمليات الحرارية ككارنو محرك.
يبدو أن المحركات الحرارية الدائرية توفر كمية غير صفرية من الطاقة في وقت محدود. في الواقع ، إنهم يحققون نتائج أفضل من ذلك يمكن أن تكون الطاقة عالية جدًا إذا أصبحت تقلبات الطاقة صغيرة. في حالة التقلبات الذهاب إلى الصفر ، فإن المحرك تعمل على كفاءة كارنو.
يعتمد توصيل الطاقة على تقليل التقلبات ، لكنه يتحول إلى أن محرك حرارة دوري سيفعل ذلك أيضًا. الباحثون تبين أن التقلبات لا تصبح أكبر من إجمالي الناتج قطرات السلطة. بدلا من ذلك ، تتسطح إلى بعض محدودة القيمة.
لماذا يحدث هذا؟ اعتقد انها قليلا من خفة اليد. في محرك حرارة ثابت الحالة ، تتطلب ظروف التشغيل أننا لديك سوى عدد قليل من الجزيئات التالية الديناميكا الحرارية مسار في أي وقت واحد. نحن عرضة لتقلبات كبيرة في السلطة منذ الجسيمات تتبع مسارات عشوائية. ولكن إذا كنا دورة ، هناك فترات من الزمن عندما لا توجد على الإطلاق الجسيمات في النظام ، والتعويض عن ذلك ، يجب أن يكون هناك أكثر خلال الدورة ، وهذا يعني سلوكهم الجماعي يحصل أقرب إلى المتوسط.
باختصار ، ما لدينا الآن ليس محركًا حراريًا بصفر متوسط انتاج الطاقة وتقلبات عشوائية كبيرة. بدلا من ذلك ، نحن لديك محرك حراري يحتوي على تقلبات كبيرة معروفة الإخراج أثناء الدورة) مفصولة بفترات صفر الناتج المعروفة قوة.
وركوب الدراجات العملية كارنو؟
قلت إن المحرك عملي وأقف بجانبه بيان. محركات لديها العديد من الاستخدامات وتوجد في أماكن غير عادية. على سبيل المثال ، الإنزيمات هي نوع من المحركات التي تعمل على أساس التفاعلات الكيميائية. أنها لا تزال تخضع لكارنو الكفاءة. ، وغيرها من الآلات الصغيرة ، هي أيضا محركات التي من المرجح أن تكون قادرة على دورة وبالتالي الاقتراب من كفاءة كارنو.
حسب الباحثون أيضًا أن محركهم يمكن أن يكون أظهر باستخدام شيء مثل حبة الزجاج التي عقدها البصرية ملاقيط. يمكن استخدام الملقط البصري للقيام بالعمل على حبة مع دورة بدأت من الخارج عن طريق تغيير قوة الليزر أو الظروف المحورية.
قد لا تكون هذه الأشياء التي تتبادر إلى الذهن عند التفكير في محركات. لكنها عملية. خاصة الآن ، عندما نكون يحدق في مستقبل مليء الآلات الصغيرة والأنزيمات التي تنتج كل شيء من الطعام إلى الوقود.
خطابات المراجعة البدنية ، 2018 ، DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.120601 (حول DOIs)
