«Принцип 1/2» наконец опровергнут.
Физики бросили вызов законам термодинамики, которые считались незыблемыми на протяжении нескольких столетий. Исследователи из Пекинского педагогического университета и Центра системной биологии Дрездена теоретически доказали: можно создать тепловой двигатель, который будет работать на максимальной мощности и приблизится к КПД цикла Карно.
История этого открытия началась в конце 2022 года, когда профессор Ю-Хан Ма и доктор Б. Шилинг Лянг обсуждали необычное явление. Изучая процесс сворачивания полимеров, Лянг заметил странную закономерность: некоторые молекулярные системы нарушали привычные ограничения эффективности тепловых двигателей.
Чтобы понять суть открытия, нужно разобраться в базовых принципах. Любой тепловой двигатель работает между двумя резервуарами — горячим и холодным. Он берет тепло из горячего резервуара, часть этой энергии превращает в полезную работу, а остаток сбрасывает в холодный резервуар. В идеальном случае, описанном еще Саади Карно, этот процесс должен быть обратимым — тогда двигатель достигнет максимальной эффективности. Но в реальности из-за неизбежных потерь энергии КПД всегда оказывается ниже теоретического предела.
Со времен промышленной революции тепловые двигатели остаются основой технического прогресса, от паровых машин до современных турбин. Однако перед инженерами всегда стоял непростой выбор: либо машина работает медленно и приближается к максимальному КПД, либо выдает большую мощность, но теряет в эффективности. Эту закономерность описывает «принцип универсальности 1/2»: если разница температур между резервуарами невелика, то при максимальной мощности КПД не может превысить половину от теоретического предела Карно.
Решение, предложенное китайско-немецкой группой ученых, опирается на квантовомеханическое понятие вырождения энергетических состояний. В их модели каждому значению энергии соответствует не одно, а множество различных расположений молекул. Самый простой вариант тоже включает два состояния: нижнее, с малым числом возможных конфигураций, и верхнее, допускающее гораздо больше вариантов расположения частиц.
Переход между этими состояниями может происходить двумя путями. При низких температурах системе нужно «топливо» — молекулы АТФ. Этот универсальный источник энергии работает во всех живых клетках: когда АТФ расщепляется на более простые соединения, выделяется энергия для важнейших биохимических процессов. В нагретой среде картина меняется: молекулы сами устремляются в верхнее состояние, где получают больше свободы движения. Такой спонтанный переход уже не требует расхода АТФ.
Чем больше становится система, тем сильнее различаются её состояния: наверху молекулы могут выстраиваться всё большим числом способов. Физики называют такие скачкообразные смены состояний фазовыми переходами первого рода. При этом энергия почти не теряется, когда система переключается между уровнями.
Расчеты удивили ученых: чем крупнее становится система, тем больше растет мощность двигателя, а его КПД приближается к пределу Карно. Впервые удалось добиться того, что раньше считалось невозможным: двигатель работает и эффективно, и мощно.
«Нам придется пересмотреть привычные законы термодинамики», — объясняет профессор Ма.
Когда в системе появляется бесконечно растущая величина (в данном случае — число способов расположить молекулы), старые правила перестают работать. Даже то, в каком порядке мы рассматриваем рост КПД и увеличение числа состояний, влияет на конечный результат.
Открытие особенно ценно тем, что такая система может работать как биохимический двигатель и производить АТФ. Это поможет лучше понять, как живые организмы используют энергию. Доктор Лянг считает, что проверить теорию можно на биополимерах — эти молекулы от природы умеют принимать множество разных форм с одинаковой энергией.
Статья об исследовании вышла в Physical Review Letters и обещает изменить наши представления о термодинамике. До практического применения еще далеко, но авторы верят: их модель проложит путь к двигателям нового типа. Как и цикл Карно, который два века назад подсказал, как улучшить паровые машины, это открытие поможет создать более совершенные двигатели.