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激光取代活塞开发出世界最小蒸汽机

导读: 德国斯图加特大学和马普学会智能系统研究所的研究人员正在研究微米尺度上的热力发动机,他们已经开发出世界上最小的蒸汽机。

  德国斯图加特大学和马普学会智能系统研究所的研究人员正在研究微米尺度上的热力发动机,他们已经开发出世界上最小的蒸汽机,更精确的说是最小的斯特林发动机,相关研究成果已经发表于近期的《Nature Physics》杂志网络版。

  经过全面的考虑,他们还确定这种发动机能够实际操作。尽管截至目前还没有投入使用,但斯图加特大学的研究人员已经开展了一些试验工作来显示实际的基本工作情况。这意味着,理论上不存在建造高效的小型热力发动机的障碍。

  和微观尺度技术相比,大规模利用的技术可能会引起意想不到的问题。基于微观和宏观世界不同的准则,这可能是一个基本性质。尽管准则不同,但大规模和小规模尺度上的一些物理过程有着惊人的类似之处。斯图加特大学教授也是马普学会智能系统研究所的研究员Clemens Bechinger和他的同事Valentin Blickle已经观察到这些相似点中的其中一点。

  微观世界的准则决定,研究人员无法根据常规尺度的蓝图来构建微小的发动机。Valentin Blickle提到,他们已经成功地将热力发动机的重要组成部分(如工作气体和活塞)缩减到只有几微米,然后将它们组装到一台机器中。在斯图加特的实验中,工作气体不再由无数分子组成,而是由一个个只有3微米的塑料珠浮在水中,由于胶体粒子比原子大约10000倍,研究人员可以直接在显微镜下观察它的运动。

  物理学家通过一种聚焦激光束(其强度定期变化),取代了在气缸中上下往复运动的活塞。激光的光场力来限制塑料粒子的运动强度,就像热力发动机汽缸中气体的压缩和膨胀。然后,粒子在激光场工作。为了使压缩和膨胀阶段不停止工作,这些必须在不同的温度下进行。在膨胀过程,系统需要外部供热,就像蒸汽机的锅炉。研究人员进一步用一种激光束取代了老式蒸汽机的火力供热,而且可以在关闭后迅速降温。

  事实上,斯图加特机器上塑料珠周围环绕的水分子在运动中不断与微粒碰撞。在这些随机碰撞中,塑料粒子不断地与周围交换能量来通过这种能量做功。Valentin Blickle解释到,这种效果就是通过不同周期循环获得的能量也大有不同。

  但是,物理学家们惊奇地发现,尽管这种发动机功率不同,但平均起来每个循环产生的能量一样多,甚至可以和宏观满负荷情况下一样的效率运行。Clemens Bechinger提到,他们的实验提供一个微观发动机运行时能量守恒的初步观点。虽然他们的机器还不能提供任何有用的工作,但原则上没有热力学障碍。这对设计可靠的、高效的微型机械无疑是一个好消息。

 

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