دانشمندان چینی رمز موتورهای حرارتی با حداکثر قدرت و کارایی را کشف کردند

یک مطالعه اخیر به رهبری دانشمندان چینی، افسانه چند صد ساله‌ای را به چالش کشیده است که یک موتور حرارتی نمی‌تواند همزمان حداکثر قدرت و کارایی بالا داشته باشد. این رویکرد مبانی ترمودینامیک را به چالش می‌کشد.

مطالعه‌ای که ماه گذشته در مجله‌ای معتبر منتشر شد، پیشنهاد می‌دهد که یک موتور حرارتی می‌تواند حداکثر قدرت خروجی را بدون قربانی کردن کارایی به دست آورد. دانشمندان مدل موتور حرارتی مینیمالی ارائه کرده‌اند که می‌تواند با کارایی کارنو به حداکثر قدرت خروجی برسد.

یافته‌ها می‌توانند منجر به پیشرفت در فناوری‌های تبدیل انرژی شوند که ممکن است راه را برای موتورهای حرارتی کارآمد فراهم کنند.

مدل موتور ساده شده با سطح انرژی بالا

با طراحی یک مدل موتور ساده شده با تغییرپذیری سطح انرژی بالا - جایی که بسیاری از حالت‌های میکروسکوپی با هم کار می‌کنند - محققان توانستند از تأثیرات جمعی برای غلبه بر تعادل سنتی کارایی-قدرت بهره‌برداری کنند. مطالعه آن‌ها نشان داد که وقتی بسیاری از اجزای کوچک یک سیستم با هم کار می‌کنند، می‌توانند انرژی را به صورت کارآمدتری تبدیل کنند، ارائه دهنده امکانات جدید برای فناوری آینده، گزارش شده توسط SCMP .

منتشر شده در ژانویه در Physical Review Letters، مطالعه پتانسیل کمیت‌های فیزیکی ذاتی واگرا را در داخل ماده کار، مانند تغییرپذیری، به عنوان منابع ترمودینامیک نویدبخش برای شکستن تعادل قدرت-کارایی جهانی که توسط ترمودینامیک غیرتعادلی بر موتورهای حرارتی سنتی اعمال می‌شود، پرده برمی‌دارد.

محققان در این مطالعه گفتند: "یافته‌های ما دیدگاه‌های نوینی به امتیاز جمعی در بهره‌گیری از انرژی سیستم‌های تعاملی چندبدنی ارائه می‌دهد".

موتور حرارتی بیوشیمیایی

تاکید شده است که مانع اصلی در ساخت موتور حرارتی با کارایی نزدیک به موتور حرارتی کارنو این است که برای انجام کار با خروجی قدرت حداقل، زمان نامحدود می‌برد. محققان این مشکل را با یک موتور حرارتی بیوشیمیایی حل کردند، بر اساس یک گزارش.

دکتر بی شیلینگ لیانگ، که همکار نویسنده این مطالعه است، به Phys.org گفت: "از یک مدل تاشوی پلیمری در کار قبلی خود استفاده کردم و یک موتور حرارتی مینیمال توسعه دادم که به طور تعجب آور، پتانسیل تجاوز از برخی مرزهای پذیرش شده برای سود موتور حرارتی با حداکثر قدرت را نشان داد. این یافته غیرمنتظره من را به سمت یو-هان هدایت کرد و همکاری ما را در این پروژه آغاز کرد".

مدل می‌تواند تعادل سنتی کارایی-قدرت را بشکند

تیم تحقیقاتی نشان داد که تحت شرایطی خاص، مدل آن‌ها می‌تواند تعادل سنتی کارایی-قدرت را بشکند.

این امر نشان داد که اگر موتورهای حرارتی با ساختار داخلی مناسب طراحی شوند، می‌توانند بسیار کارآمدتر از پیش‌بینی‌های ترمودینامیک کلاسیک کار کنند. محققان همچنین اعلام کردند که وقتی این نظریه‌ها در فناوری واقعی پیاده‌سازی شوند، ممکن است در آینده شاهد نیروگاه‌ها، موتورهای قوی‌تر و کارآمدتر و حتی ماشین‌های بیولوژیکی میکروسکوپی باشیم که با انرژی اتلاف بسیار کمتر کار می‌کنند.

دکتر لیانگ همچنین تاکید کرد که با ساخت یک مدل مینیمال که این ویژگی را شامل می‌شود، «توانستیم نشان دهیم که چگونه این مدل مرزهای ترمودینامیک سنتی را می‌شکند و مکانیزم فیزیکی پشت امتیاز جمعی را فاش کنیم.»