Θερμική μηχανή – Μικρόκοσμος: Ερευνητές επινοούν τη μικρότερη θερμική μηχανή που θα μπορούσε να λειτουργήσει

Μια μηχανή αυτοκινήτου θα μπορούσε να θεωρηθεί ένα καθημερινό παράδειγμα μιας θερμικής μηχανής – μια συσκευή που μετατρέπει θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο. Αλλάζοντας κλίμακα στο μικροσκοπικό επίπεδο, ωστόσο, οι συσκευές αυτές μπορούν να παράγουν έργο από την διαφορετικά άχρηστη τυχαία θερμική κίνηση. Αλλά τέτοιες στοχαστικές [που έχει σχέση με τυχαίες μεταβλητές] θερμικές μηχανές είναι τυπικώς μη αυτόνομες επειδή υπόκεινται σε ένα εξωτερικό σύστημα ελέγχου για να λειτουργήσουν. Ως αποτέλεσμα, καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από ότι το έργο που παράγουν. Οι Chiara Daraio και Marc Serra-Garcia από το Ομοσπονδιακό Ελβετικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (ETH), στη Ζυρίχη και οι συνάδελφοί τους επινόησαν το σχεδιασμό μιας αυτόνομης, κλασικής στοχαστικής θερμικής μηχανής. Το σύστημα θα μπορούσε να είναι ένα ιδανικό μοντέλο μινιατούρα με το οποίο να μελετηθεί η θερμοδυναμική σε μικροκλίμακα.

Η ιδέα τους είναι ανάλογη με αυτή της μηχανής Stirling (μικρή εικόνα), η οποία μετασχηματίζει τη θερμότητα σε έργο με κυκλική συμπίεση και αποσυμπίεση ενός λειτουργικού ρευστού σε επαφή με μια ψυχρή και μια θερμή δεξαμενή. Συνίσταται από ένα υποστήριγμα, δυο συνδεδεμένες ταινίες (κύρια και δευτερεύουσα) και ένα θερμό και ένα ψυχρό λουτρό θερμότητας. Η κύρια ταινία είναι σε επαφή με το ψυχρό λουτρό και παίζει το ρόλο του ρευστού: θερμαίνεται, εκτείνεται, ψύχεται και συμπιέζεται.

Η συμπίεση και αποσυμπίεση-έκταση της ταινίας ακολουθείται από το σπρώξιμο και έλξη του υποστηρίγματος, που χρησιμοποιεί ενέργεια που – μέσω της δευτερεύουσας ταινίας – προέρχεται από την τυχαία θερμική κίνηση στο θερμό λουτρό. Γεωμετρικές μη-γραμμικότητες στις ταινίες ρυθμίζουν τη σύζευξη στα λουτρά, επιτρέποντας την κύρια ταινία να θερμαίνεται και να ψύχεται σε συγχρονισμό με την κίνηση του υποστηρίγματος και παρακάμπτοντας την απαίτηση για μια εξωτερική μονάδα ελέγχου.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι η μηχανή τους λειτουργεί αυτόνομα χρησιμοποιώντας μια διευθέτηση που είναι στην πραγματικότητα μακροσκοπική σε μέγεθος. Αλλά χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι η συσκευή είναι εξ ίσου λειτουργική όταν συρρικνώνεται σε μικροσκοπικές διαστάσεις.

Πηγή: APS

Περισσότερα στη δημοσίευση: Mechanical Autonomous Stochastic Heat Engine. Phys. Rev. Lett. 117.