Учёные обошли двухсотлетний предел Карно без нарушения законов физики
Новая модель теплового двигателя использует хаотическое движение частиц и стратегию «демона Максвелла», показывая, что информацию тоже можно превратить в энергии
Учёные предложили новый тип тепловой машины, который, по их словам, способен работать с эффективностью в 100% и при этом повышать выработку энергии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Речь идёт о так называемом «игровом карнотовом двигателе» — установке, использующей особую стратегию обратной связи для управления тепловыми флуктуациями на микроскопическом уровне. Такой подход открывает возможности для создания наномашин, которые смогут извлекать энергию из хаотического движения частиц.
Исследование возглавил Эдгар Рольдан из Международного центра теоретической физики Абдуса Салама. Он признаётся, что интерес к теме вырос из детского любопытства к тому, как устроены разные двигатели — от автомобильных до живых клеток. Новая модель, разработанная его командой, ставит под сомнение двухсотлетнее представление о том, что карнотов предел эффективности является абсолютным.
Классическая термодинамика утверждает: ни одна тепловая машина не может работать с КПД выше значения η = 1 – (Tc/Th), где Tc и Th — температуры холодного и горячего резервуаров. Этот предел был выведен ещё в 1824 году французским инженером Сади Карно и считался непреложным. Превысить его без нарушения второго закона термодинамики, казалось, невозможно.
Новый двигатель обходит ограничение за счёт использования «игровой стратегии», заимствованной из теории игр и реализованной с помощью так называемого демона Максвелла. Идея заключается в том, что система не действует механически, а реагирует на состояние частицы по определённым правилам — словно игрок в блэкджек, который принимает решение, исходя из карт на руках.
Эксперименты проводились с коллоидной частицей — микроскопической сферой из полистирола, удерживаемой в воде сфокусированными лазерными лучами. В обычных условиях при изотермическом сжатии требуется значительная работа. Но здесь внешний «наблюдатель» отслеживает движение частицы с высокой скоростью, и как только она пересекает центр ловушки, система мгновенно переводится в конечное состояние практически без затрат энергии.
За счёт броуновского движения частица всё время колеблется вокруг равновесной позиции, и двигатель умеет использовать эти колебания. Моделирование показало, что эффективность установки растёт с увеличением времени цикла и в пределе приближается к 100%.
В то же время авторы подчёркивают: формально законы термодинамики не нарушаются. Если учитывать не только тепловую и механическую энергию, но и цену обработки информации о положении частицы, предел Карно сохраняет силу. То есть сама возможность «идеального» преобразования тепла в работу достигается только благодаря дополнительному ресурсу — информации.
Учёные уверены, что их теоретическая модель может быть реализована в лаборатории. В качестве исходных данных использовались параметры реальных экспериментов, где уже удавалось построить карнотову машину на основе полистирольной сферы в оптических пинцетах. Основная трудность — необходимость отслеживать положение частицы с частотой выше 100 килогерц и мгновенно вносить корректировки.
По словам Рольдана, такие работы пока остаются концептуальными доказательствами, но уже сегодня показывают, что на уровне наномашин привычные законы физики можно обойти, если добавить к ним ещё один ресурс — управление информацией.
