Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


23.01.2012

Испытан самый маленький в мире двигатель Стирлинга

Немцы построили так называемую стохастическую тепловую машину. На неё существенное влияние оказывают случайные события. И всё же, к удивлению учёных, рекордный аппарат смог заработать.

Температура рабочего тела в цикле менялась от 22 до 86 градусов Цельсия. Движение поршня (рисунки в центре) авторы устройства заменили на движение микроскопического шарика, пойманного в луче света (рисунки по краям)
Температура рабочего тела в цикле менялась от 22 до 86 градусов Цельсия. Движение поршня (рисунки в центре) авторы устройства заменили на движение микроскопического шарика, пойманного в луче света (рисунки по краям)

Физики из университета Штутгарта (Universitat Stuttgart) и института интеллектуальных систем Макса Планка (Max-Planck-Institut fur Intelligente Systeme) решили выяснить, что произойдёт, если основные детали тепловой машины сократить до микрометровых размеров. Ведь тогда они начнут принимать участие в хаотичном броуновском движении.

«Мы разработали самый маленький паровой двигатель в мире, а если быть более точным — наименьший двигатель Стирлинга, и обнаружили, что он действительно выполняет работу, — говорит один из авторов эксперимента Клеменс Бехингер (Clemens Bechinger). — Этого не обязательно следовало ожидать. Ведь машина настолько мала, что её движение затруднено из-за микроскопических процессов, которые не имеют значения в макромире».

Рабочий газ в необычном аппарате немцы заменили на единичную коллоидную частицу. Сделана она была из пластика, а диаметр её составил всего три микрометра. Шарик этот плавал в воде.

В роли поршня выступал регулируемый лазерный луч оптической ловушки. Его поле ограничивало перемещение шарика в большей или меньшей степени, так же как поршень определяет сжатие и расширение газа в обычном стирлинге.

Роль внешнего нагревателя сыграл второй лазерный луч, который мог быстро включаться и выключаться. В силу очень малого объёма порция воды и плавающий в ней шарик также быстро нагревались и охлаждались.

Схема опытной установки
Схема опытной установки

Из-за крошечного размера и лёгкости частицы молекулы воды хаотично подталкивали её в разных направлениях. При этом обмен энергией пластикового шарика с внешней средой, как посчитали экспериментаторы, оказывался одного порядка с энергией, получаемой от луча.

По всему выходило, что шарик впитывал от цикла к циклу существенно разное количество энергии. А это могло не только сделать ход машины неравномерным, но и застопорить её. Тем не менее построенная система сумела нормально заработать, и даже показала эффективность, сопоставимую с эффективностью макроскопического стирлинга.

Физики поясняют, что таким способом они исследуют ограничения, которые накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов системы. Полученные сведения помогут в проектировании практически пригодных микромашин.

Кроме того, по значению такой эксперимент сравним с опытами над микро- и наноразмерными объектами, при помощи которых учёные пробуют нащупать границу между классической и квантовой физикой.

Любопытно также, что броуновское движение, рассматриваемое Клеменсом с коллегами как помеха, в реализованном демоне Максвелла выступало как источник полезной работы. При этом на функционирование устройства огромное влияние тоже оказывал именно крохотный масштаб его частей.

Леонид Попов


Источники:

  1. MEMBRANA




Пользовательского поиска




Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Мария Склодовская-Кюри - единственная в истории женщина, получившая две Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике — 2017 - за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн

Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г.

Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru