Китайские физики нарушили «железный» закон термодинамики

Китайские физики опровергли фундаментальное правило работы тепловых двигателей, которое не подвергалось сомнению сотни лет. Им удалось создать модель, совмещающую, казалось бы, несовместимое – максимальную мощность и эффективность на уровне цикла Карно.

В основу разработки легла простая модель двигателя с необычным свойством – высоким уровнем энергетического вырождения. Благодаря этому микроскопические состояния в системе действуют как единое целое. Такой подход позволил использовать коллективные эффекты и разрешить извечное противоречие между эффективностью и мощностью: объединённые частицы системы гораздо лучше справляются с преобразованием энергии.

Статья об открытии вышла в январском номере Physical Review Letters . Авторы подробно описали, как внутренние расходящиеся физические величины в рабочем веществе меняют представление о возможностях тепловых двигателей. Ключом к прорыву стало именно вырождение – оно помогло обойти принципиальное ограничение неравновесной термодинамики, из-за которого мощность и эффективность обычных тепловых двигателей всегда приходилось уравновешивать.

Раньше все попытки приблизить КПД теплового двигателя к циклу Карно упирались в неразрешимую проблему: чтобы совершить работу, требовалось бесконечное время, а мощность падала до минимума. Выход нашёлся в области биохимических тепловых двигателей.

Доктор Б. Шилинг Лян, один из авторов исследования, рассказал, как пришёл к открытию. Работая над моделью сворачивания полимеров, он создал упрощённую схему теплового двигателя. Неожиданно она показала, что может превзойти привычные пределы эффективности даже на максимальной мощности. Это открытие подтолкнуло учёного к совместной работе с коллегой Ю-Ханом.

В ходе исследования физики доказали, что при определённых условиях их модель действительно не подчиняется старому правилу о противоречии между эффективностью и мощностью. Если правильно выстроить внутреннюю структуру тепловых двигателей, они смогут работать намного лучше, чем предполагает классическая термодинамика.

Учёные уверены: когда теория воплотится в технологии, мы увидим принципиально новые электростанции, двигатели и даже микроскопические биологические машины. Все они будут отличаться высокой мощностью и минимальными потерями энергии.

Доктор Лян подчеркнул: разработанная модель не только подтвердила возможность выйти за рамки термодинамических ограничений, но и объяснила, почему коллективное взаимодействие частиц даёт такой впечатляющий результат.