Vědci navrhli tepelný motor, který překračuje klasické termodynamické limity

29. 8. 2025

Výzkumníci představují zpětnovazebně řízený tepelný motor, který strategicky využívá tepelné fluktuace v mikroskopickém měřítku a otevírá nové cesty pro získávání energie v zařízeních v nanoměřítku.

Výzkum vedený Dr. Édgarem Roldánem z Mezinárodního centra pro teoretickou fyziku Abdus Salam zpochybňuje dvě století termodynamického chápání tím, že navrhuje metodu, která překonává to, co bylo kdysi ve fyzice považováno za nedotknutelný limit: Carnotovu hranici účinnosti.

Standardní tepelné motory, včetně osvědčeného Carnotova motoru, jsou omezeny Carnotovým maximem účinnosti: η = 1 – (Tc/Th), kde Tc a Th uvádí teplotu studených a horkých tepelných zásobníků.

Tato hranice, kterou stanovil Sadi Carnot v roce 1824, byla po dvě století považována za absolutní. Překročení této hranice v rámci klasické termodynamiky by vyžadovalo porušení samotného druhého zákona termodynamiky.

Hazardní Carnotův motor (GCE) zahrnuje strategii hazardních her odvozenou z teorie her a implementovanou v termodynamice. Systém využívá externí ovladač neboli "démona", odvozeného od Maxwellova slavného myšlenkového experimentu, k implementaci strategických opatření podle specifických kritérií.

Inovace se soustředí na izotermickou kompresní fázi motoru.

Během tohoto kroku by částice normálně procházela postupným stlačováním, protože tuhost lapače se pomalu zvyšuje, což je proces vyžadující značné pracovní vstupy.

Démon však nepřetržitě monitoruje polohu částice pomocí vysokorychlostní laserové interferometrie po celou dobu komprese.

Když částice projde středem pasti (pozice x = 0) před předem stanoveným termínem, systém okamžitě přeskočí do konečného stavu komprese s nulovými pracovními náklady.

Motor pracuje s koloidní částicí – mikroskopickou polystyrenovou koulí zavěšenou ve vodě a zachycenou zaostřenými laserovými paprsky. Na rozdíl od makroskopických motorů s písty a válci tento systém v nanoměřítku upravuje omezující potenciál částic tak, aby vytvářel termodynamické cykly.

Strategická výhoda se objevuje při využití Brownova pohybu, který způsobuje, že se částice pohybuje kolem středu pasti.

Částice typicky kolísá v rozmezí několika stovek nanometrů od rovnovážné polohy v důsledku tepelné energie z molekulárních srážek v okolní vodě.

Výzkumníci zjistili, že tato strategie hazardních her vytváří pravděpodobnost přežití, která exponenciálně klesá s dobou cyklu, což znamená, že efektivita roste s rostoucím provozním časovým rámcem. V kvazistatické mezi se účinnost blíží 100 %.

Tvrzení o překonání Carnotovy účinnosti vyžaduje pečlivý výklad v rámci principů termodynamiky. Definice použitá autory studie zůstává v souladu s klasickou termodynamikou a zároveň odhaluje nové možnosti prostřednictvím zpracování informace.

Rozdíl spočívá v započítání nákladů na zpracování informací. Zatímco tepelná konverze na mechanickou může překročit klasické limity, celkový energetický rozpočet – včetně získávání a zpracování informací – respektuje základní termodynamická omezení, pokud je plně zohledněn.

Zdroj v angličtině: ZDE