Прорыв в физике: Индийские ученые разработали микротепловой двигатель с высоким КПД и мощностью

Исследователи из Индийского института науки (IISc) и Центра перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру (JNCASR) успешно разработали микротепловой двигатель, который не поддается ограничениям традиционных двигателей. Это открытие, недавно опубликованное в журнале Nature Communications, способно произвести революцию в области физики и инженерии.

Преодоление предела Карно

На протяжении десятилетий ученые и инженеры пытались решить проблему создания теплового двигателя, способного развивать максимальную мощность при сохранении максимального КПД. Существенным препятствием на этом пути является предел Карно - теоретическое ограничение эффективности тепловых двигателей. Этот предел определяет максимальное количество тепла, которое может быть преобразовано в полезную работу.

Однако группе исследователей из IISc и JNCASR удалось преодолеть это ограничение в лабораторных масштабах. Под руководством Аджая К. Суда, профессора кафедры национальной науки физического факультета IISc и главного научного советника правительства Индии, группе удалось достичь того, что раньше считалось невозможным.

Одновременная высокая эффективность и высокая мощность

Разработанный исследователями микротепловой двигатель демонстрирует возможность одновременного достижения высокого КПД и высокой мощности. Этот прорыв имеет далеко идущие последствия для термодинамики.

Аджай К Суд поясняет: "То, что до сегодняшнего дня считалось невозможным, мы продемонстрировали, что это возможно: достижение одновременно высокой эффективности и высокой мощности".

Понимание компромисса между мощностью и эффективностью

Компромисс между мощностью и эффективностью уже давно является проблемой при проектировании тепловых двигателей. Согласно предложению французского физика Сади Карно, выдвинутому в 1824 году, для того чтобы двигатель имел 100%-ный КПД, при обратном ходе процесса не должно теряться тепло. Однако достижение такого уровня КПД привело бы к нулевой мощности, что сделало бы двигатель непрактичным.

Достижения в области микротепловых двигателей

Исследователи пытаются решить проблему соотношения мощности и эффективности с 1970-х годов. В последние годы особое внимание уделяется изучению микроскопических систем для решения этой проблемы. В 2017 году в одной из работ утверждалось, что решение этой термодинамической головоломки невозможно.

Однако настоящее исследование доказывает обратное. Имитируя работу обычного теплового двигателя в микронном масштабе, исследователи использовали крошечный гелеобразный коллоидный шарик и манипулировали его движением с помощью лазерного луча. Такой подход отражает работу поршня в макроскопическом двигателе.

Раджеш Ганапати, профессор JNCASR, поясняет: "Наш уникальный микромасштабный двигатель работает с помощью всего одной частицы". Размеры двигателя невероятно малы - примерно 1/100 ширины одного человеческого волоса.

Прогресс на пути к высокой эффективности и мощности

Кроме того, для перевода двигателя из одного состояния в другое было введено быстро меняющееся электрическое поле. Эта манипуляция привела к резкому снижению теплоотдачи, в результате чего КПД двигателя приблизился к 95% от предела Карно.

Судеш Кришнамурти (Sudeesh Krishnamurthy), бывший аспирант кафедры физики IISc и первый автор исследования, утверждает: "То, чего мы добились, - это сокращение времени распространения тепла за счет введения электрического поля. Это сокращение позволяет двигателю работать с высоким КПД и одновременно выдавать большую мощность даже на высоких скоростях".

Последствия для будущих применений

Разработка этого микротеплового двигателя открывает новые возможности для различных областей, включая производство энергии и нанотехнологии. Возможность одновременного достижения высокого КПД и мощности имеет существенное значение для улучшения характеристик тепловых двигателей в различных приложениях.

По словам Аджая К Сода, "этот прорыв может проложить путь к созданию более эффективных и мощных тепловых двигателей в будущем".