北师大物理与天文学院马宇翰与合作者提出能在最大功率下趋于卡诺效率的极简热机模型
2025-02-03 08:51阅读：
北师大物理与天文学院马宇翰与合作者提出能在最大功率下趋于卡诺效率的极简热机模型
文章来源：北京师范大学官网
热机是将热能转化为机械能的装置，也是理解非平衡态热力学的重要模型系统。在实际应用中，人们既希望热机能够高效工作（高效率，热功转换比高），又希望它能够以高功率快速工作（单位时间输出功多）。然而，这两个目标之间存在着由不可逆耗散导致的矛盾。卡诺效率作为热机效率的理论上限，传统上被认为只能在准静态可逆循环中实现，此时系统的功率为零。这就导致了所谓的“功率-效率权衡”问题：当试图提高热机的功率时，必然会损失一定的效率。这个权衡关系已经被证明在多种情况下都是普适的，特别是在低耗散热机中，热机以最大功率运行时的效率（最大功率效率）有着明确的上限。
近日，北京师范大学物理与天文学院讲师马宇翰与德累斯顿系统生物中心的博士后研究员梁师翎（物理学系2018届本科毕业生，2024年博士毕业于瑞士洛桑联邦理工学院）等合作提出了一个做功物质具有能级简并度的最小生化热机模型[图1(a)]。该热机在最大功率下的效率可以突破低耗散热机的普适上限，并在热力学极限下逼近卡诺效率[图1(b)]。这一发现表明，简并度这一内禀物理量可以作为一种热力学资源，帮助我们突破传统的功率-效率权衡限制。这项研究的另一个重要发现是关于功率效率权衡的普适性。在卡诺效率较小对应的线性响应区域，最大功率下的效率与卡诺效率之比通常为二分之一，这被称为“1/2普适性”。然而，研究发现这个普适性在大简并度极限下会被打破。卡诺效率（由环境温差决定）和简并度（由系统尺寸和相互作用具体形式确定）的极限次序会影响最大功率效率关于卡诺效率的比例系数[图1(c)]。这说明，当系统具有发散的内禀量时，一些传统的热力学限制可能需要重新审视。
图 1(a) 生化热机最