Микроскопический двигатель Стирлинга ещё как работает!

Микроскопический двигатель Стирлинга ещё как работает!

В Германии построили так называемую тепловую стохастическую машину. Случайные события оказывают на неё значительное влияние. И тем не менее, к большому удивлению научного мира, рекордный аппарат всё-таки заработал.

Физики из Штутгартского университета и института интеллектуальных систем им. Макса Планка решили узнать, что же произойдёт, если главные детали теплового устройства уменьшить до микроскопических размеров. Ведь в этом случае они вынуждены будут принять участие в броуновском движении, которое известно своей хаотичностью.

По словам Клеменс Бехингера, одного из авторов эксперимента, учёные разработали наименьший в мире паровой двигатель, а если выразиться более точно – самый маленький двигатель Стирлинга, а также обнаружили, что он в состоянии выполнять свою работу. Этого однозначно мало кто ожидал. Ведь устройство настолько мало, что его движение весьма затруднительно по причине микроскопических процессов, не имеющих никакого значения в нашем макромире.

В этой необычной машине рабочий газ был заменён единичной коллоидной частицей. Она изготовлена из пластика, её диаметр составляет 3 микрометра. Этот шарик плавал в воде.

Регулируемый луч лазера оптической ловушки выступил в роли поршня. Перемещение шарика в той или иной степени ограничивало его поле. Таким же образом поршень, как известно, определяет расширение и сжатие газа в обычном стирлинге.

В роли внешнего нагревателя выступает второй лазерный луч, способный быстро отключаться и включаться. По причине очень маленького объёма плавающий в воде шарик и порция воды также быстро охлаждались и нагревались.

Если говорить о температуре рабочего тела, то в цикле она варьировалась от 22 до86 °C. Авторы стохастической машины поменяли движение поршня на движение микроскопического по своим размерам шарика, пойманного в световом луче.

Из-за лёгкости и крошечного размера нашей частицы молекулы воды подталкивали её довольно хаотично в различных направлениях. Обмен энергией шарика с окружающей его средой при этом, как выяснилось, оказывался сопоставим с энергией от луча.

Получается, что шарик от цикла к циклу впитывал самое разное количество энергии. Но это могло застопорить машину или как минимум сделать её ход неравномерным. Однако построенная система заработала нормально, и даже сумела показать высокую эффективность, под стать эффективности макроскопического стирлинга.

Как пояснили физики, они исследуют таким образом ограничения, которые накладываются ввиду малого масштаба элементов системы на классическую термодинамику. Сведения, полученные в ходе экспериментов, помогут в дальнейшем спроектировать практически пригодные микромашины.

Кроме этого, по своему научному значению данный эксперимент можно сравнить с опытами над нано- и микроразмерными объектами, с помощью которых учёные пытаются «нащупать» рубеж между квантовой и классической физикой.

Любопытный факт: броуновское движение, которое рассматривается Клеменсом и его коллегами как помеха, в реализованном не так давно японцами «демоне Максвелла» выступало в качестве источника полезной работы. Большое влияние на функционирование устройства также оказывал как раз таки крохотный размер его составных частей.

Автор

Запись опубликована 14 Декабрь 2011 в разделе Нано