Самый горячий двигатель в мире раскрывает странность микроскопической физики

Самый горячий двигатель в мире крошечный, достигает, казалось бы, невозможной эффективности и может приблизиться к самым крошечным машинам природы.

Термодинамический двигатель – самая простая машина, которая может показать, как законы физики диктуйте превращение тепла в полезную работу. У него горячая часть и холодная часть, которая связана с «рабочей жидкостью», которая контракты и расширяются в циклах. Сообщение Молли и Джеймс Миллен В Королевском колледже Лондон и их коллеги построили один из самых экстремальных двигателей за всю историю, используя микроскопический стеклянный бусин вместо рабочей жидкости.

Они использовали электрическое поле для ловушки и левита в небольшую камеру, сделанную из металла и стекла, которая была почти полностью лишена воздуха. К запустить двигательОни изменили свойства электрического поля, чтобы затянуть или ослабить его «захват» на бусине. Очень немногие оставшиеся частицы воздуха в камере действовали как холодная часть двигателя, в то время как контролируемые шипы в электрическом поле играли горячую часть. Эти шипы сделали частицу ненадолго двигаться гораздо быстрее, чем очень немногие частицы воздуха, окружающие ее. Поскольку горячие частицы покачаются быстрее – например, в газе – стеклянная частица здесь ведет себя так, как будто ее температура на мгновение выросла до 10 миллионов Кельвинов, или примерно в 2000 раз превышает температуру поверхности солнца, хотя было бы круто, чтобы прикоснуться.

Этот стеклянный двигатель из бусин работал очень необычным образом. Во время некоторых циклов это казалось невероятно эффективным, с стеклянным шариком движется быстрее, чем ожидалось, учитывая прочность электрического поля. Это означало, что двигатель эффективно выпускает больше энергии, чем вход. Но во время других циклов эффективность стала отрицательной, как будто бусинка охлаждение В условиях, которые должны были сделать его очень горячим. «Иногда вы думаете, что вкладываете правильную энергию, вы вкладываете правильные механизмы, чтобы запустить тепловой двигатель, и в конечном итоге вы запускаете холодильник», – говорит сообщение. Температура бусинки также варьировалась в зависимости от его положения в камере, что было неожиданным, потому что двигатель был построен, поэтому бусин имел либо температуру горячей или холодной части двигателя.

Эти странности можно было посвятить размеру двигателя: он был настолько мал, что даже одна частица воздуха, случайным образом попавшим в бусин, может радикально изменить функционирование двигателя, в том числе на мгновение превратить его в холодильник, говорит Миллен. Традиционные законы физикичто запретило бы такое поведение, держаться в среднем, но Экстремальные события все еще достаточноПолем Миллен говорит, что то же самое относится и к микроскопическим компонентам клеток. «Мы можем видеть все эти странные термодинамические поведения, которые являются совершенно интуитивными, если вы бактерия или белок, но просто неинтуитивно, если вы большой кусок мяса, как мы», – говорит он.

Рауль Рика В Университете Гранады в Испании говорит, что новый двигатель не имеет немедленного технологического применения, но он может помочь исследователям более глубоко понять естественные биологические системы. Это также техническое достижение, говорит Лоик Рондин в Париже-Саклайском университете во Франции. По его словам, команда могла бы изучить многие необычные свойства микроскопического мира с относительно простым дизайном.

«У нас огромное упрощение того, что было бы биологической системой, где мы можем провести тесты для проверки некоторой теории», – говорит Рондин. В будущем команда хочет использовать двигатель таким образом, например, чтобы моделировать, как изменяется энергия белка, когда он складывается.