С момента промышленной революции тепловые двигатели играли ключевую роль в технологическом прогрессе, преобразовывая тепловую энергию в механическую работу. Однако, их работа всегда сопровождалась фундаментальным компромиссом: стремление к высокой мощности приводило к снижению эффективности, и наоборот. Традиционная термодинамика, казалось, жестко связывала эти два параметра, предписывая лишь половину от максимально возможной (карно) эффективности при достижении максимальной мощности.
Классический тепловой двигатель Карно, функционирующий между двумя температурными резервуарами (горячим и холодным), в идеальном случае обратим и обладает максимальной теоретической эффективностью. Реальные двигатели, из-за необратимых процессов, всегда теряют часть энергии в виде тепла, что снижает их эффективность. Более того, высокая эффективность достигается лишь при очень медленной работе, которая, в свою очередь, сводит к минимуму выходную мощность. Этот компромисс, казалось, являлся непреодолимым ограничением.
Однако, недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, бросает вызов этому устоявшемуся представлению. Команда ученых, включая профессора Ю-Хана Ма из Пекинского педагогического университета и доктора Б. Шилинга Ляна из Центра системной биологии Дрездена, разработала теоретическую модель биохимического теплового двигателя, способного достигать максимальной мощности, приближаясь при этом к предельной эффективности Карно. Сотрудничество началось после обсуждения в конце 2022 года, и основной упор был сделан на анализ минимальной модели теплового двигателя, основанного на сворачивании полимеров.
Ключевым фактором, позволившим обойти ограничения классической термодинамики, стало использование системы с вырожденными энергетическими уровнями. Вырождение в контексте энергии означает наличие разных микроскопических состояний (конфигураций) с одинаковой энергией. Предложенная модель оперирует двумя уровнями энергии: низким и высоким. При этом, высокий уровень энергии обладает более высокой степенью вырождения.
В системе действуют два основных реакционных пути: реакция, движимая гидролизом АТФ при низкой температуре, и спонтанный переход при высокой температуре. Более высокая температура способствует переходу в высокоэнергетическое состояние с большим количеством конфигураций, в то время как низкая температура благоприятствует реакции, движимой АТФ. Размер системы влияет на резкость перехода, делая его более похожим на переключение. Эти переходы первого рода происходят с минимальными потерями энергии.
С увеличением размера системы биохимический двигатель способен достигать эффективности Карно при максимальной мощности. При этом мощность линейно масштабируется с размером системы, а эффективность приближается к пределу Карно. Увеличение вырождения энергетических уровней значительно повышает производительность теплового двигателя, что нарушает принцип "1/2-универсальности».
«1/2-универсальность» гласит, что тепловые двигатели в режиме линейного отклика (небольшие перепады температур) способны достичь только половины эффективности Карно при максимальной мощности. Исследование показывает, что в системах с высокой степенью вырождения нарушается эта универсальная закономерность. Последовательность, в которой берутся пределы (эффективность Карно, вырождение), имеет значение, а некоторые традиционные термодинамические ограничения требуют пересмотра.
В основе модели лежит биохимический двигатель, способный синтезировать АТФ. Это открывает перспективы для разработки практических двигателей, использующих биополимеры, которые естественным образом обладают вырожденными развернутыми состояниями. Полученные результаты, таким образом, представляют собой значительный шаг вперед в области термодинамики и могут привести к созданию новых, гораздо более эффективных энергетических технологий.
Классический тепловой двигатель Карно, функционирующий между двумя температурными резервуарами (горячим и холодным), в идеальном случае обратим и обладает максимальной теоретической эффективностью. Реальные двигатели, из-за необратимых процессов, всегда теряют часть энергии в виде тепла, что снижает их эффективность. Более того, высокая эффективность достигается лишь при очень медленной работе, которая, в свою очередь, сводит к минимуму выходную мощность. Этот компромисс, казалось, являлся непреодолимым ограничением.
Однако, недавнее исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, бросает вызов этому устоявшемуся представлению. Команда ученых, включая профессора Ю-Хана Ма из Пекинского педагогического университета и доктора Б. Шилинга Ляна из Центра системной биологии Дрездена, разработала теоретическую модель биохимического теплового двигателя, способного достигать максимальной мощности, приближаясь при этом к предельной эффективности Карно. Сотрудничество началось после обсуждения в конце 2022 года, и основной упор был сделан на анализ минимальной модели теплового двигателя, основанного на сворачивании полимеров.
Ключевым фактором, позволившим обойти ограничения классической термодинамики, стало использование системы с вырожденными энергетическими уровнями. Вырождение в контексте энергии означает наличие разных микроскопических состояний (конфигураций) с одинаковой энергией. Предложенная модель оперирует двумя уровнями энергии: низким и высоким. При этом, высокий уровень энергии обладает более высокой степенью вырождения.
В системе действуют два основных реакционных пути: реакция, движимая гидролизом АТФ при низкой температуре, и спонтанный переход при высокой температуре. Более высокая температура способствует переходу в высокоэнергетическое состояние с большим количеством конфигураций, в то время как низкая температура благоприятствует реакции, движимой АТФ. Размер системы влияет на резкость перехода, делая его более похожим на переключение. Эти переходы первого рода происходят с минимальными потерями энергии.
С увеличением размера системы биохимический двигатель способен достигать эффективности Карно при максимальной мощности. При этом мощность линейно масштабируется с размером системы, а эффективность приближается к пределу Карно. Увеличение вырождения энергетических уровней значительно повышает производительность теплового двигателя, что нарушает принцип "1/2-универсальности».
«1/2-универсальность» гласит, что тепловые двигатели в режиме линейного отклика (небольшие перепады температур) способны достичь только половины эффективности Карно при максимальной мощности. Исследование показывает, что в системах с высокой степенью вырождения нарушается эта универсальная закономерность. Последовательность, в которой берутся пределы (эффективность Карно, вырождение), имеет значение, а некоторые традиционные термодинамические ограничения требуют пересмотра.
В основе модели лежит биохимический двигатель, способный синтезировать АТФ. Это открывает перспективы для разработки практических двигателей, использующих биополимеры, которые естественным образом обладают вырожденными развернутыми состояниями. Полученные результаты, таким образом, представляют собой значительный шаг вперед в области термодинамики и могут привести к созданию новых, гораздо более эффективных энергетических технологий.