Разработка эффективного теплового двигателя, способного максимизировать мощность при максимальной КПД, является важной задачей в научных кругах. Существующие тепловые двигатели ограничены пределом Карно, который определяет максимальную эффективность преобразования тепла в работу. Однако исследователи из Индийского института науки (IISc) и Центра перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру (JNCASR) сумели преодолеть это ограничение и разработали новый «микротепловой двигатель» в лабораторных условиях.
Изучение, опубликованное в журнале Nature Communications, представляет собой значительный прорыв в области тепловых двигателей. Профессор Аджай К. Суд, автор статьи и главный научный советник Правительства Индии, отмечает, что их исследование демонстрирует возможность достижения высокой эффективности и высокой мощности одновременно.
Тепловые двигатели преобразуют тепло в работу, используя механизмы, такие как перемещение поршня в определенном направлении. Однако, чтобы достичь 100% эффективности, необходимо избежать потерь тепла при обратном процессе, когда поршень возвращается в исходное состояние. Французский физик Сади Карно предложил в 1824 году, что это возможно только при чрезвычайно медленном процессе, но это приводит к нулевой выходной мощности, что делает такой двигатель практически бесполезным. Важно найти компромисс между энергоэффективностью и мощностью.
В течение десятилетий исследователи пытались найти решение этой проблемы, и в начале 2000-х годов они обратились к микроскопическим системам. Однако до недавнего времени решение этой термодинамической загадки казалось невозможным. В 2017 году в одной статье было заявлено, что данная проблема не может быть решена.
В текущем исследовании команда имитировала функционирование обычного теплового двигателя в микронном масштабе. Вместо того, чтобы использовать смесь газа и топлива, они взяли крошечный гелеобразный коллоидный шарик и использовали лазерный луч, чтобы направить его движение, подобно тому, как работает поршень в макроскопическом двигателе.
«Наш уникальный микродвигатель работает всего с одной частицей», — говорит Раджеш Ганапати, профессор JNCASR и еще один автор. Размер двигателя очень мал, примерно 1/100 ширины человеческого волоса, добавляет он.
Команда также использовала быстро меняющееся электрическое поле для переключения двигателя между двумя состояниями. В этих условиях они обнаружили, что рассеиваемое тепло резко снизилось, в результате чего эффективность приблизилась к 95% от предела, указанного Карно.
«То, чего мы достигли, — это сокращение времени распределения тепла за счет введения электрического поля. Такое сокращение времени распределения тепла позволяет двигателю работать с высоким КПД и одновременно выдавать большую выходную мощность даже при работе на высоких скоростях», — говорит Кришнамурти.
Результаты экспериментов показывают, что при определенных условиях можно достичь высокой мощности с высоким КПД . Такое достижение может проложить путь к созданию более энергоэффективных устройств в будущем.
Источник:
Судиш Кришнамурти и др., Преодоление компромисса между энергоэффективностью в микротепловом двигателе за счет инженерного взаимодействия системы и ванны (Sudeesh Krishnamurthy et al, Overcoming power-efficiency tradeoff in a micro heat engine by engineered system-bath interactions), Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42350-y
-------------------------------------
Вы можете поддержать проект подпиской на канал, реакциями и комментариями, а также подписавшись на наши страницы на других площадках и на сервисе поддержки авторов Бусти. Ссылки найдёте в описании канала. Заранее спасибо!
