Этот двигатель нагревается сильнее Солнца, но состоит всего из одной частицы: зачем его создали
Ученые создали двигатель, состоящий исключительно из частиц кремния, подвешенных в электрическом поле, и разогрели его до температуры, которая сравнима с температурой ядра Солнца. Хотя этот двигатель не приводит в действие ничего конкретного, он предназначен для проверки наших знаний о термодинамике и некоторых биологических процессах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет Popular Mechanics.
В течение 4,6 миллиарда лет ни одно место в Солнечной системе не было жарче Солнца. И все же ученые смогли создать устройства, которые хотя бы на короткое время могут создавать температуру, сравнимую с температурой в ядре нашей звезды. Например, в экспериментальных термоядерных реакторах, с помощью которых ученые пытаются создать безграничную энергию, температура плазмы достигает сотни миллионов градусов Цельсия. Для сравнения температура в ядре Солнца составляет 15 миллионов градусов Цельсия.
Но такие тепловые машины невероятно огромные. Теперь же ученые показали, что такие тепловые машины на самом деле могут быть микроскопическими.
Авторы исследования создали тепловой двигатель, состоящий всего из одной частицы кремния, пытаясь лучше понять внутренние механизмы термодинамики, а также некоторые биологические процессы, происходящие в нашем организме.
Для этого ученые использовали одну частицу кремния диаметром всего 4,82 микрометра, что составляет примерно 5% от размера среднего человеческого волоса. Затем эта частица кремния левитировала при низком давлении с помощью системы электрических полей, известной как ловушка Пола. Затем ученые увеличили нагрев, подавая напряжение на один из электродов ловушки. С помощью этой установки исследователи смогли поднять температуру до 10 миллионов градусов Цельсия.
Это был первый эксперимент, в котором были достигнуты температуры, сопоставимые с температурой в ядре Солнца, но в микроскопических масштабах. Эксперимент позволил обнаружить некоторые изначально нелогичные данные о том, как действуют законы термодинамики в микромасштабах.
Например, во время работы двигателя система иногда охлаждалась, а не нагревалась под воздействием более высоких температур, в основном из-за типичного случайного влияния тепловых колебаний окружающей среды, влияющего на термодинамику в микромасштабах, говорят ученые.
"Двигатели и типы передачи энергии, происходящие в них, — это микрокосм Вселенной в целом. Изучение парового двигателя привело к появлению теории поля термодинамики, которая, в свою очередь, открыла некоторые фундаментальные законы физики. Дальнейшее изучение двигателей в новых режимах открывает возможности для расширения понимания Вселенной и процессов, лежащих в основе ее развития", — говорят исследователи.
По словам ученых, детальное понимание термодинамики может помочь как создавать более совершенные двигатели, так и исследовать биологические функции, такие как сворачивание белков. Термодинамическое поведение микроскопических систем полно сюрпризов. Точное понимание микромасштабной термодинамики критически важно для многих областей науки.