Недавнее исследование под руководством китайских учёных опровергло многовековое представление о том, что тепловой двигатель не может одновременно достигать максимальной мощности и высокой эффективности. Этот подход бросает вызов принципам термодинамики.
Исследование, опубликованное в научном журнале в прошлом месяце, показывает, что тепловой двигатель может достигать максимальной мощности без потери эффективности. Учёные представили модель теплового двигателя, способную достичь эффективности Карно (максимально возможной теоретической эффективности тепловой машины) при сохранении максимальной выходной мощности.
Эти открытия могут привести к прорывам в технологиях преобразования энергии, что откроет путь к созданию более эффективных тепловых двигателей.
Читайте: Первый в мире турбинный двигатель на жидком водороде – Новый стандарт для авиации
Упрощённая модель теплового двигателя с высоким уровнем энергии
Разработав упрощённую модель теплового двигателя с высоким уровнем вырождения энергетических состояний – когда множество микроскопических состояний работают совместно – исследователи смогли использовать коллективные эффекты и преодолеть традиционный компромисс между эффективностью и мощностью.
Исследование показало, что когда многие малые части системы работают согласованно, они могут преобразовывать энергию более эффективно, открывая новые возможности для будущих технологий.
Это раскрывает потенциал внутренних расходящихся физических величин в рабочем веществе, как вырождение состояний, в качестве перспективных термодинамических ресурсов для преодоления универсального компромисса между мощностью и эффективностью, характерного для обычных тепловых двигателей.
«Наши выводы дают новое понимание коллективного преимущества в использовании энергии систем с многочастичным взаимодействием», – отметили исследователи в своей работе.
Биохимический тепловой двигатель
Было также отмечено, что главным препятствием в создании теплового двигателя с эффективностью, близкой к двигателю Карно, является то, что для совершения работы требуется бесконечно долгое время при минимальной выходной мощности. Исследователи решили эту проблему с помощью биохимического теплового двигателя.
«Основываясь на модели сворачивания полимеров из предыдущей работы, я разработал минимальную модель теплового двигателя, которая, что удивительно, продемонстрировала потенциал превзойти некоторые общепринятые ограничения эффективности теплового двигателя при максимальной мощности.
Это неожиданное открытие побудило меня обратиться к Юй-Хану, что положило начало нашему сотрудничеству в этом проекте", – рассказал доктор Б. Шилинг Лян, соавтор исследования.
Преодолеть компромисс между эффективностью и мощностью
Исследовательская группа показала, что при определённых условиях их модель может преодолеть традиционный компромисс между эффективностью и мощностью.
Это предполагает, что тепловые двигатели при правильной внутренней структуре могут работать гораздо эффективнее, чем предсказывает классическая термодинамика.
Исследователи также утверждают, что, когда эти теории будут реализованы в реальных технологиях, в будущем мы сможем увидеть более мощные и эффективные электростанции, тепловые двигатели и даже микроскопические биологические машины, работающие с гораздо меньшими потерями энергии.
Доктор Лян также подчеркнул, что, «создав минимальную модель с этой особенностью, мы смогли продемонстрировать, как она преодолевает традиционные термодинамические ограничения, и раскрыть физический механизм, лежащий в основе коллективного преимущества».
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU