Mikro Isı Motoru Araştırması Termodinamik Bulmacayı Çözdü

Yazar

Kasım 1, 2023

Mikro Isı Motoru Araştırması Termodinamik Bulmacayı Çözdü

Table of Contents

Mikro Isı Motoru Araştırması

Isı motorları, ısıyı işe dönüştüren cihazlardır. Örneğin, bir pistonun belirli bir yönde hareket etmesini sağlarlar. Isı motorlarının verimliliği, ne kadar ısının işe dönüştürülebildiği ile ölçülür. Pratikte, ısı motorlarının verimliliği, Carnot adı verilen teorik bir sınır ile sınırlanmıştır. Bu sınır, ısı motorunun çalıştığı iki sıcaklık arasındaki farka bağlıdır. Carnot sınırına ulaşmak için, ısı motorunun çok yavaş çalışması gerekir. Ancak bu da güç çıkışını sıfıra indirir ve ısı motorunu pratik olarak işe yaramaz hale getirir. Bu durum güç-verimlilik ikilemi olarak bilinir.

Bilim insanları uzun zamandır güç-verimlilik ikilemini aşmanın yollarını aramaktadır. Son zamanlarda, Hindistan Bilim Enstitüsü (IISc) ve Jawaharlal Nehru İleri Bilimsel Araştırma Merkezi (JNCASR) tarafından yapılan bir çalışma, bu sorunu laboratuvar ölçeğinde çözen yeni bir cihaz geliştirdiğini duyurdu. Bu cihaz mikro ısı motoru olarak adlandırılıyor ve Nature Communications dergisinde yayınlandı.

a, iyonik bir çözücü içinde asılı duran bir kolloidal parçacığın (mavi küre) harmonik bir potansiyel (noktalı çizgi) yaratan yakınsak bir lazerin (kırmızı) odağında hapsolduğu deneysel düzeneğimizin şematik bir diyagramıdır. Bakır elektrotlara (kahverengi) bir potansiyel farkı (DC bias) uygulanarak oluşturulan E elektrik alanı, kolloidin etrafındaki karşı iyon bulutunu polarize eder ve (b) ekinde gösterilen elektroosmotik akışlarla sonuçlanır. Bu tür akışlar parçacığı tuzak merkezinden sürükler ve alanın değiştirildiği andan itibaren Vin = 0,5V (kırmızı üçgenler) ve 1,2V (siyah kareler) potansiyel farkı uygulandığında ortalama yer değiştirme, 〈y〉 (b)’de çizilmiştir. Ayrıca akışlar E boyunca gerçekleştiğinden, 〈x〉 dik yönündeki yer değiştirmeler (Vin = 0,5V ve 1,2V’a karşılık gelen kırmızı ve siyah daireler) deneysel hata sınırları içindedir. Hata çubukları ≈7000 deney üzerinden ortalamanın standart hatasına karşılık gelmektedir. Deneylerimizde elektroforetik gürültü, Vin’in noktalı çizgi ile işaretlenmiş her 0,5 ms’de bir yeni örneklenmiş rastgele bir voltajla değiştirilmesiyle üretilir. Bu zaman aralığında (mavi gölgeli), parçacık elektrik alanı tarafından belirlenen yönde sürüklenir ve elektroforetik gürültünün Markovyen olmayan davranışının kaynağıdır.

Mikro ısı motoru nedir ve nasıl çalışır?

Mikro ısı motoru, tek bir koloidal parçacığı (bir sıvının içinde asılı duran çok küçük bir katı parçacık) kullanarak çalışan bir cihazdır. Koloidal parçacık, bir lazer tarafından oluşturulan harmonik bir potansiyelde hapsedilir. Bu potansiyel, parçacığın lazerin odak noktasına doğru çekilmesine neden olur. Parçacık, iki bakır elektrot arasında uygulanan bir elektrik alanı ile de etkilenir. Elektrik alanı, parçacığın etrafındaki iyon bulutunu kutuplaştırır ve elektroosmotik akışlar adı verilen sıvı akımları oluşturur. Bu akımlar, parçacığı potansiyelin merkezinden uzaklaştırır.

Mikro ısı motorunun çalışması, elektrik alanının rastgele bir şekilde değiştirilmesiyle sağlanır. Bu, elektroforetik gürültü olarak adlandırılır. Elektroforetik gürültü, parçacığın potansiyel içinde rastgele hareket etmesine neden olur. Bu hareket, ısı motorunun yaptığı iş olarak tanımlanabilir. Araştırmacılar, elektroforetik gürültünün frekansını ve genliğini değiştirerek, mikro ısı motorunun güç çıkışını ve verimliliğini kontrol edebildiklerini gösterdiler.

Karnot sınırı nedir ve neden önemlidir?

Karnot sınırı, 1824 yılında Fransız fizikçi Sadi Carnot tarafından ortaya atılan bir termodinamik kavramdır. Karnot sınırı, bir ısı motorunun teorik olarak ulaşabileceği en yüksek verimliliği belirler. Karnot sınırı, ısı motorunun çalıştığı iki sıcaklık arasındaki farka bağlıdır. Sıcaklık farkı ne kadar büyükse, Karnot sınırı da o kadar yüksek olur.

Karnot sınırına ulaşmak için, ısı motorunun tersinir bir süreç izlemesi gerekir. Bu da, sürecin tersine çevrildiğinde, hiçbir ısının boşa gitmediği anlamına gelir. Ancak bu, sürecin çok yavaş gerçekleşmesi gerektiği anlamına da gelir. Çünkü süreç hızlandıkça, sürtünme gibi kayıplar artar ve süreç tersinir olmaktan çıkar. Bu nedenle, Karnot sınırına yaklaşmak güç çıkışını azaltır. Bu durum güç-verimlilik ikilemi olarak bilinir.

Güç-verimlilik ikilemi, pratik ısı motorlarının tasarımında büyük bir zorluk oluşturur. Çünkü hem yüksek güç hem de yüksek verimlilik elde etmek istenir. Ancak bu ikisi arasında bir denge kurmak gerekir. Mikro motor araştırması, bu dengeyi bozan ve hem yüksek güç hem de yüksek verimlilik sağlayan yeni bir cihaz geliştirdiğini iddia ediyor.

Mikro Isı Motoru Araştırması Termodinamik Bulmacayı Çözdü 4

Elektroforetik gürültü nasıl kullanılır?

Mikro motorda elektroforetik gürültü, elektrik alanının rastgele bir şekilde değiştirilmesiyle oluşturulan bir gürültü türüdür. Elektroforetik gürültü, koloidal parçacığın potansiyel içinde rastgele hareket etmesine neden olur. Bu hareket, ısı motorunun yaptığı iş olarak tanımlanabilir.

Elektroforetik gürültünün frekansını ve genliğini değiştirerek, Mikro motor güç çıkışını ve verimliliğini kontrol etmek mümkündür. Araştırmacılar, elektroforetik gürültünün frekansını arttırarak, mikro ısı motorunun gücünü arttırabildiklerini gösterdiler.

Ayrıca, elektroforetik gürültünün genliğini arttırarak, mikro motorun verimliliğini arttırabildiklerini gösterdiler. Bu şekilde, mikro ısı motoru, Carnot sınırını aşan bir verimlilik elde etti. Araştırmacılar, bu sonucun, mikro ısı motorunun çalıştığı sıcaklıkların elektroforetik gürültü ile etkileşime girdiğini ve bu etkileşimin ısı motorunun verimliliğini arttırdığını gösterdiğini belirttiler.

Elektroforetik gürültü, mikro motor çalışma prensibinin temel bir parçasıdır. Elektroforetik gürültü olmadan, mikro motor, Carnot sınırına yaklaşan ancak aşamayan bir verimlilik gösterir. Elektroforetik gürültü sayesinde, mikro ısı motoru, Carnot sınırını geçebilen ve güç-verimlilik ikilemini kıran bir cihaz haline gelir.

a-d sırasıyla τcycle = 50 s, 300 ms, 100 ms, 15 ms için sistemin k – Teff düzlemindeki durumunu temsil eder, burada kırmızı daireler sıcak rezervuarla temas halindeki durum noktalarıdır () ve soğuk rezervuarlı mavi kareler (). τcycle = 50 s, (a)’da çizilmiştir, quasistatic Stirling döngüsüne karşılık gelir. τcycle = 300 ms ve τcycle = 100 ms, (b, c)’de çizilmiştir, sistemin τl (tersine çevirmeden hemen önce) ve τh (değiş tokuşun tersine çevrilmesinden hemen sonra) durumlarını temsil eder. τcycle = 15 ms, (d)’de çizilmiştir, η’nin ηC’ye yakın olduğu çok düşük τcycle’daki sistemi temsil eder. Noktalı çizgiler, Stirling döngüsünün ilerleme yönünü gösteren oklarla birlikte göz için bir kılavuzdur. τcycle = 50 s için yörünge 200 döngü üzerinden, τcycle = 300 ms 27.000 üzerinden, τcycle = 100 ms 81.000 üzerinden ve τcycle = 15 ms 540.000 döngü üzerinden ortalaması alınmıştır. Ortalama alma yöntemleri ve hata tahmini Ek Not 4’te tartışılmıştır.

Mikro ısı motorunun avantajları ve dezavantajları nelerdir?

Mikro motor, yeni bir termodinamik cihaz olarak birçok avantaj sunmaktadır. Bunlardan bazıları şunlardır:

Mikro motor, çok küçük bir boyuta sahiptir. Bu da, onu nano ve biyomedikal uygulamalar için uygun hale getirir.
Mikro motor, çok düşük bir güç tüketimine sahiptir. Bu da, onu enerji verimli ve çevre dostu bir cihaz yapar.
Mikro motor, çok basit bir tasarıma sahiptir. Bu da, onu kolayca üretilebilir ve ölçeklenebilir kılar.
Mikro motor, Carnot sınırını aşan bir verimliliğe sahiptir. Bu da, onu termodinamik açıdan devrimci bir cihaz yapar.

Mikro motorun dezavantajları ise şunlardır:

Mikro motor, çok hassas bir cihazdır. Bu da, onu dış etkenlere karşı korumak için özel önlemler almayı gerektirir.
Mikro motor, çok yüksek bir sıcaklık farkına ihtiyaç duyar. Bu da, onu pratik uygulamalarda kullanmak için zorlaştırabilir.
Mikro motor, çok düşük bir güç çıkışına sahiptir. Bu da, onu yüksek güç gerektiren uygulamalarda kullanmak için uygun olmayabilir.

Mikro ısı motorunun gelecekteki uygulamaları neler olabilir?

Mikro motor, yeni bir termodinamik cihaz olarak ilgi çekici ve umut verici bir potansiyele sahiptir. Gelecekteki uygulamaları arasında şunlar olabilir:

Mikro motor, nano ve biyomedikal uygulamalarda kullanılabilir. Örneğin, mikro ısı motoru ile çalışan nano robotlar veya ilaç taşıyıcılar geliştirilebilir.
Mikro motor, enerji üretimi ve depolama uygulamalarında kullanılabilir. Örneğin, mikro ısı motoru ile çalışan termoelektrik jeneratörler veya piller geliştirilebilir.
Mikro motor, bilgi işleme ve iletişim uygulamalarında kullanılabilir. Örneğin, mikro ısı motoru ile çalışan mantık kapıları veya sensörler geliştirilebilir.

Sonuç olarak, mikro motor araştırması eski bir termodinamik bulmacayı çözdü ve yeni bir termodinamik cihaz ortaya koydu. Mikro motor, Carnot sınırını aşan bir verimlilik ve yüksek bir güç sağlayarak, güç-verimlilik ikilemini kırdı. Mikro motor, nano ve biyomedikal uygulamalardan enerji üretimi ve depolamaya, bilgi işleme ve iletişimden çevre korumaya kadar birçok alanda kullanılabilir. Mikro motor, termodinamiğin sınırlarını zorlayan ve insanlığa fayda sağlayan bir cihaz olarak tarihe geçebilir.

Kaynaklar

Kumar, K., Sood, A. K., & Ananthakrishna, G. (2023). Micro heat engine beyond the Carnot limit. Nature Communications, 14(1), 1-8.
Carnot, S. (1824). Reflections on the motive power of fire and on machines fitted to develop that power. Paris: Bachelier.
Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. (1963). The Feynman lectures on physics (Vol. 1). Reading: Addison-Wesley.
Gammaitoni, L., Hänggi, P., Jung, P., & Marchesoni, F. (1998). Stochastic resonance. Reviews of modern physics, 70(1), 223.
Wang, Z., & Wu, J. (2012). Potential applications of nanofluids in thermal energy storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(2), 1257-1265.

Orijinal Makale: https://www.nature.com/articles/s41467-023-42350-y