Brug af termodynamisk geometri til at optimere mikroskopiske finite-time varmemotorer

Stokastisk termodynamik er et spirende område af fysik, der sigter mod bedre at forstå og fortolke termodynamiske begreber væk fra ligevægt. I løbet af de sidste par år har fund på disse områder revolutioneret den generelle forståelse af forskellige termodynamiske processer, der fungerer i begrænset tid.

Adam Frim og Mike DeWeese, to forskere ved University of California, Berkeley (UC Berkeley), har for nylig udført en teoretisk undersøgelse, der udforsker det fulde rum af termodynamiske cyklusser med en konstant skiftende badtemperatur. Deres resultater, præsenteret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , blev opnået ved anvendelse af geometriske metoder. Termodynamisk geometri er en tilgang til at forstå responsen af ​​termodynamiske systemer ved at studere det geometriske kontrolrum.

"For eksempel, for en gas i et stempel, kunne en koordinat i dette kontrolrum svare til det eksperimentelt kontrollerede volumen af ​​gassen og en anden til temperaturen," fortalte DeWeese til Phys.org. "Hvis en eksperimentalist skulle dreje disse knapper, plotter det en bane i dette termodynamiske rum. Hvad termodynamisk geometri gør, er at tildele hver kurve en 'termodynamisk længde' svarende til den mindst mulige dissiperede energi af en given bane."

Termodynamisk geometri giver forskere mulighed for at undersøge interessante forskningsspørgsmål, såsom den optimale måde at manipulere et givet nanoskopisk system på, slette en smule information eller bygge en klassisk eller kvantevarmemotor.

"Vores hovedmål i dette papir var at finde ud af den mest effektive måde at køre en mikroskopisk motor på, så den producerer det mest nyttige arbejde for den mængde brændstof, den bruger," fortalte DeWeese til Phys.org. "Mens de fleste tidligere termodynamiske geometristudier fokuserede på at optimere styringen af ​​et system med givne indledende og endelige indstillinger, var vi interesserede i at konstruere optimale lukkede kurver, der kunne fungere som højeffektive varmemotorer."

De vigtigste "regler" for at forstå, hvordan man effektivt kører store motorer, såsom dem inde i biler, når de køres langsomt, blev først skitseret for over et århundrede siden, da termodynamikkens love først blev formuleret. I deres papir udvidede Frim og DeWeese disse teorier, så de også kunne anvendes på mikroskopiske motorer, der opererer i begrænset tid. I modsætning til langsomt fungerende store motorer er disse motorer ikke i termisk ligevægt med den ydre verden og er stærkt påvirket af termiske udsving i det omgivende miljø.

"På et hvilket som helst bachelorkursus i termodynamik lærer vi, at hvis du plotter tryk vs. volumen af ​​en gas i en cylinder og overvejer enhver lukket cyklus, der vender tilbage til det samme punkt på grafen, giver området indeholdt i kurven dig mængden af ​​nyttigt arbejde, du får fra en cyklus af denne varmemotor," sagde DeWeese. "Det forudsætter, at man bevæger sig meget langsomt rundt i cyklussen, så gassen i cylinderen altid forbliver tæt på ligevægt med omverdenen. Der er en analogi til dette P-V-diagram for mikroskopiske motorer, f.eks. en lille partikel fastgjort til en fjeder. bliver ramt af termiske udsving fra omgivelserne."

Da de plottede cyklusser på analogen til et P-V-diagram for en mikroskopisk motor, fandt Frim og DeWeese ud af, at en bestemt funktion af området indeholdt i den lukkede kurve stadig kunne opfattes som mængden af ​​nyttigt arbejde, som en cyklus af motoren yder. . Derudover viste det sig, at længden af ​​den lukkede kurve var relateret til mængden af ​​"nyttigt arbejde", der er gået tabt på grund af dissipation (dvs. opvarmning af miljøet uden at gå i retning af motorens drift).

"Vores resultat er relativt simpelt konceptuelt," forklarede DeWeese. "I termodynamisk geometri går længden noget i retning af dissipation. Så vi tænkte:hvis du tager en cyklus (en lukket sløjfe) med en eller anden omkreds, der har en fast længde, hvad repræsenterer området inde i denne sløjfe? Som det viser sig, er det ligner cyklussens arbejdsoutput, så egentlig burde optimale cyklusser have lav dissipation og høj output arbejde, dvs. en lille længde og et stort område."

Ved at udnytte klassiske geometriske resultater var forskerne derefter i stand til at identificere optimale protokoller, der satte en grænse for effektiviteten af ​​alle lukkede cyklusser. Deres resultater kunne bidrage væsentligt til design og udvikling af effektive mikroskopiske varmemotorer. Begrænsningen for effektiviteten af ​​irreversible termodynamiske cyklusser, der er fastsat af dette team af forskere, er generel, og derfor kan dens implikationer række langt ud over de specifikke mikroskopiske motorer, der betragtes i deres papir.

"Et af vores langsigtede mål er at udvikle den teori, der er nødvendig for, at ingeniører kan designe og bygge meget små og effektive motorer," sagde DeWeese. "Dette kan vise sig at være et vigtigt område inden for nanoteknologi. Vi er også stærkt motiverede til at forstå strukturen og funktionen af ​​de molekylære motorer og andre typer molekylære 'maskiner', som vi ser i cellerne i alle skabninger og planter."

I deres arbejde antager De Weese og Frim, at naturlig evolution kunne have valgt for effektive molekylære maskiner. Hvis dette var tilfældet, kunne reglerne, de opdagede, være et første skridt mod at kunne forudsige strukturen og funktionen af ​​molekylære maskiner, der er allestedsnærværende i biologi.

"Isoperimetriske uligheder (det vil sige samspillet mellem længder og områder af lukkede kurver) i geometriske tilgange til fysik kan have utallige implikationer fremadrettet," tilføjede DeWeese. "Vores matematiske grænse er mere realistisk end tidligere resultater, der antog, at motoren var meget tæt på termisk ligevægt med miljøet (eller varmebadet) på alle tidspunkter, men vi antager stadig, at systemet køres langsomt (dvs. kontrolparametrene) ændres langsomt). Vi er nu interesserede i at udvide vores resultater ud over dette regime til at omfatte systemer længere væk fra ligevægt." + Udforsk yderligere

Miniaturiserede 'varmemotorer' kunne drive fremtidens maskiner i nanoskala

© 2022 Science X Network