破解古老的热力学难题
设计能够以最高效率产生最大功率的热机是一项重大挑战。实际的热机受到称为卡诺极限的理论效率的限制，该极限限制了可以将多少热量转化为有用功。印度科学研究所 (IISc) 和贾瓦哈拉尔尼赫鲁高级科学研究中心 (JNCASR) 的研究人员取得了突破性进展，设计了一种新型“微型热机”，在实验室规模上克服了这一限制。该研究发表在 《自然通讯》上。
“今天之前被认为不可能的事情，我们已经证明是可能的：同时实现高效率和高功率，”通讯作者、IISc 物理系国家科学讲座教授兼首席科学顾问 Ajay K Sood 说道。印度政府。
热机将热量转化为功 - 例如，沿某个方向移动活塞。要使发动机达到 100% 的效率，当过程逆转时(活塞返回到其原始状态)，就不应该有热量浪费，这是法国物理学家萨迪·卡诺 (Sadi Carnot) 在 1824 年提出的。这只有在理论上才有可能这个过程发生得极其缓慢，但这也意味着功率输出将为零，使发动机几乎毫无用处。这称为功率效率权衡。
“自 20 世纪 70 年代以来，人们一直在尝试解决能效权衡问题。2000 年代初，研究人员探索微观系统来克服这一挑战。有趣的是，2017 年，一篇论文声称不可能解决这个热力学难题，”IISc 物理系前博士生、该研究的第一作者 Sudeesh Krishnamurthy 说道。
在当前的研究中，该团队在微米尺度上模仿了传统热机的功能。他们没有使用气体和燃料的混合物，而是采用了微小的凝胶状胶体珠，并使用激光束引导其运动，类似于宏观发动机中活塞的工作原理。
“我们独特的微型发动机仅用一个粒子运行，”JNCASR 教授、另一位作者 Rajesh Ganapathy 说道。他补充道，发动机的尺寸非常小，约为 人类头发宽度的 1/100 。
该团队还使用快速变化的电场使发动机在两种状态之间循环。在这些条件下，他们发现废热耗散大幅减少，使效率接近卡诺规定极限的 95%。
“我们所实现的是通过引入电场来减少热量分布时间。热量分布时间的减少使发动机能够高效率运行，同时即使在高速运行时也能产生大功率输出。”Krishnamurthy 说道。
此前，该团队设计了一种高功率发动机，使用活细菌来推动粒子并为系统提供动力。这次，研究人员用电场取代了细菌，以便更有效地在胶体介质中移动粒子，并提高系统的耐用性。
实验结果表明，在一定条件下，可以实现高功率、高效率。这样的进步可能为未来更节能的设备铺平道路。
苏德强调：“如果人们可以从这里得出一条信息，并尝试了解如何对这种微型发动机进行实际解释，那就是故事的下一部分。” “我们打开了由于卡诺在之前的研究中设定的热力学限制而科学家们几乎放弃打开的大门。”
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