研究人員開發出一種”微型熱機”，在微觀層面實現了高效率和高功率，從而挑戰了卡諾極限。這種引擎透過雷射光束引導和電場操縱單一膠體粒子運行，效率接近卡諾極限的95%。這項進展推翻了人們長期以來的看法，即由於功率-效率的權衡，高功率和高效率是相互排斥的。

長期以來，設計既能產生最大功率又能保持最高效率的熱機一直是物理學和工程學領域的重大挑戰。實用熱機的效率受到理論極限的限制，即所謂的卡諾極限，該極限為多少熱量可以轉化為有用功設定了上限。

印度科學研究所（IISc）和尼赫魯高級科學研究中心（JNCASR）的研究人員突破性地設計出一種新型”微型熱機”，在實驗室規模上克服了這一限制。這項研究最近發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上。

通訊作者、IISc 物理系國家科學講座教授、印度政府首席科學顧問Ajay K Sood 說：”直到今天，我們還認為這是不可能的，但我們已經證明這是可能的：同時實現高效率和高功率。”

了解功率-效率權衡

Heat引擎能將熱量轉換為功，例如將活塞朝某個方向移動。法國物理學家薩迪-卡諾（Sadi Carnot）於1824年提出了這個觀點。

Ajay Sood 在IISc 實驗室的光學鑷子裝置。插圖（左至右）： Sudeesh Krishnamurthy、Rajesh Ganapathy 和Ajay Sood。資料來源：Sudeesh Krishnamurthy

理論上，只有當這個過程發生得極其緩慢時才有可能實現，但這也意味著功率輸出將為零，使引擎實際上毫無用處。這就是所謂的功率-效率權衡。

微型熱力引擎的進展

「自20 世紀70 年代以來，人們一直在嘗試解決功率-效率權衡問題。本世紀初，研究人員探索了微型系統來克服這一挑戰。有趣的是，2017 年，一篇論文聲稱不可能解決這一熱力學難題。”IISc 物理系前博士生、本研究第一作者Sudeesh Krishnamurthy 說。

在目前的研究中，研究團隊在微米尺度上模擬了傳統熱機的功能。他們沒有使用氣體和燃料的混合物，而是使用了一個微小的凝膠狀膠體珠，並用雷射光束引導其運動，這與宏觀引擎中活塞的工作原理類似。

JNCASR教授、另一位作者Rajesh Ganapathy說：”我們獨特的微尺度引擎只需一個粒子就能運轉。他補充說，引擎的尺寸非常小，約為一根頭髮寬度的1/100。”

向高效率和高功率邁進

研究團隊還利用快速變化的電場使引擎在兩種狀態之間循環。在這些條件下，他們發現散失的廢熱急劇​​減少，使效率接近卡諾規定極限的95%。

「我們的成果是透過引入電場縮短了熱量散發時間。熱量散發時間的縮短使引擎能夠高效運行，同時即使在高速運行時也能輸出較大的功率，」Krishnamurthy 說。

此前，研究團隊設計了一種大功率發動機，利用活細菌推動粒子並為系統提供動力。這次，研究人員用電場取代了細菌，使粒子在膠體介質中移動的效率更高，並提高了系統的耐用性。

實驗結果表明，在某些條件下，可以高效地實現高功率。這種進步可能為未來更節能的設備鋪路。

索德強調：「如果人們能從這裡得到啟示，並嘗試如何對這種微型發動機進行實際詮釋，那就是故事的下一部分。我們打開了一扇門，在以前的研究中，由於卡諾設定的熱力學限制，科學家幾乎放棄了打開這扇門”。