Účinné, výkonné a spolehlivé tepelné motory se musí točit

Řada důležitých strojů v našem každodenním životě je poháněna tepelnými motory. Najdeme je nejen v našich autech a v tepelných elektrárnách, ale také v chloroplastech fotosyntetizujících rostlin. Prakticky dosažitelné limity účinnosti, výkonu a spolehlivosti tepelných motorů jsou proto jedním ze stěžejních směrů celosvětového výzkumu a vývoje.

Přírodní zákony nedovolují sestrojit tepelný stroj, který by pracoval účiněji něž tzv. Carnotův cyklus, pojmenovaný po jednom z praotců termodynamiky, francouzském fyzikovi Sadi Carnotovi (1796–1832). Z učebnic termodynamiky se obvykle se dozvíme, že Carnotův cyklus musí být nekonečně pomalý, a tedy výkon = (konečná práce za cyklus)/(doba trvání cyklu) Carnotova stroje je nulový. Tepelné stroje používané v praxi však musí dodávat nenulový výkon a proto je jejich účinnost zpravidla mnohem menší než účinnost Carnotova cyklu.

V poslední době byla navržena řada nových strategií (využití fázových přechodů, použití speciálních interakcí v mnohačásticových systémech, zrychlení relaxačních procesů v systému s využitím mikromanipulace), které umožňují sestrojit tepelné stroje pracující libovolně blízko Carnotově účinnosti při velkém výkonu. Velice záhy se však zjistilo, že alespoň něktré z těchto strategií nejsou použitelné v praxi, což vrhlo stín pochybnosti i na ostatní navržené strategie. Konkrétně bylo zjištěno, že tepelné motory pracující blízko kritického bodu a tepelné motory pracující za časově nezávislých pomínek dodávají při účinnostech blízkých Carnotově vysoce nestabilní výkon. Práce za cyklus i výkon fluktuují tak, že tzv. Fannův faktor, definovaný jako poměr variance práce a její střední hodnoty, diverguje.

Nová práce Cycling tames power fluctuations near optimum efficiency autorů Viktora HolubceArtema Ryabova z Katedry makromolekulární fyziky MFF UK publikovaná v prestižním časopise Physical Review Letters vysvětluje, jak se vyhnout všem výše popsaným neblahým jevům. Práce ukazuje, že klíčem k účinnným, výkonným a stabilním motorům je pečlivá kontrola parametrů systému, které jsou měněny periodicky. Potřebný stupeň kontroly je dosažitelný např. v mikroskopických systémech studovaných v rámci tzv. Stochastické termodynamiky. V současné době spolupracují autoři článku s experimentální skupinou na Univerzitě v Lipsku, kde je Viktor Holubec momentálně na postdoktorandské stáži, na experimentálním ověření publikovaných poznatků.

KMF –

© 2013–2018 Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta. Design noBrother.
Za obsah odpovídá OPMK.