Goodtech

Метка: Тепло

  • Квантовая энергетика способна обойти цикл Карно по эффективности, — исследование

    Квантовая энергетика способна обойти цикл Карно по эффективности, — исследование

    Японские исследователи из Токийского института нашли способ преодолеть традиционные термодинамические ограничения, такие как КПД Карно, используя не термализированные квантовые состояния .

    В своей работе ученые предлагают использовать нетермическую жидкость Томонаги-Латтинжератеоретическая модель, описывающая взаимодействие электронов (или других фермионов) в одномерном проводнике (например, квантовых проводах, таких как углеродные нанотрубки) для преобразования отводимого тепла в электрическую энергию с большей эффективностью по сравнению с традиционными системами. 

    Современные технологии сбора энергии представляют собой устройства, собирающие энергию из окружающей среды, повышая эффективность современной электроники и промышленных процессов. Отходящее тепло непрерывно генерируется компьютерами, смартфонами, промышленным оборудованием, мощными энергетическими системами. Сбор этой энергии позволяет использовать тепло вместо того, чтобы оно было потеряно, и превращать в электричество.

    Традиционные системы сбора энергии ограничены фундаментальными принципами термодинамики. Системы, работающие в состоянии теплового равновесия, имеют строгие ограничения на количество тепла, которое можно превратить в электроэнергию. Отношение между произведенной энергией и полученным отводимым теплом определяется коэффициентом Карно. Дополнительные ограничения, в частности, КПД Керзона-Альборна — (КПД при максимальной выходной мощности), еще больше ограничивают количество энергии, которое можно получить из отводимого тепла.

    Исследователи под руководством профессора Тосимаси Фудзисавы с кафедры физики Токийского научного института заявляют, что нашли способ обойти эти ограничения. Вместо традиционных тепловых состояний ученые использовали свойства нетепловой жидкости Томонаги-Латтинжера. Эта особая одномерная электронная система вследствие уникальных квантовых свойств не стремится к тепловому равновесию. Это означает, что при подаче тепла система сохраняет нетепловое, высокоэнергетическое состояние, а не распределяет энергию равномерно, как в традиционных тепловых циклах. 

    Для демонстрации потенциала концепции исследователи провели эксперимент. Они инжектировали тепло, отводимое от квантового точечного резистора — устройства, управляющего потоком электронов, в термоэлектрическую жидкость. Это тепло переносилось на несколько микрометров в тепловой двигатель на квантовых точках — микроскопическое устройство, преобразующее тепло в электричество с помощью квантовых эффектов. 

    Ученые убедились, что нетрадиционный источник тепла производил значительно более высокое электрическое напряжение и достигал большей эффективности преобразования.

    «Эти результаты побуждают нас использовать термоэлектрические жидкости как нетепловой источник энергии для новых систем сбора энергии», — отмечает Тосимаса Фудзисава. 

    Исследователи разработали модель, основанную на бинарной функции распределения Ферми для нетепловых электронных состояний и использовали ее в предложенной системе. Ученые продемонстрировали, что их метод превосходит не только КПД Карно, но и КПД Керзона-Альборна. 

    «Наши результаты показывают, что тепло от квантовых компьютеров и электронных устройств можно превратить в полезную энергию с помощью высокопроизводительного сбора энергии», — подчеркивает Тосимаса Фудзисава. 

    Стоит отметить, что КПД Карно представляет собой максимально возможный КПД для любой тепловой системы, работающей в условиях постоянной температуры нагревателя T1 и охладителя T2. Поскольку идеальные процессы могут осуществляться лишь с очень малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может равняться нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно с теми же температурами нагревателя и охладителя. 

    Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics

    Источник: SciTechDaily

    https://itc.ua/news/kvantovaya-energetyka-sposobna-obojty-tsykl-karno-po-effektyvnosty-yssledovanye/

  • Квантова енергетика здатна обійти цикл Карно за ефективністю, — дослідження

    Квантова енергетика здатна обійти цикл Карно за ефективністю, — дослідження

    Японські дослідники з Токійського інституту знайшли спосіб подолати традиційні термодинамічні обмеження, такі як ККД Карно, використовуючи не термалізовані квантові стани .

    У своїй роботі вчені пропонують використовувати нетермічну рідину Томонагі-Латтінжератеоретична модель, що описує взаємодію електронів (або інших ферміонів) в одномірному провіднику (наприклад, квантових дротах, таких як вуглецеві нанотрубки) для перетворення тепла, що відводиться, в електричну енергію з більшою ефективністю порівняно з традиційними системами. 

    Сучасні технології збирання енергії являють собою пристрої, які збирають енергію з навколишнього середовища, підвищуючи ефективність сучасної електроніки та промислових процесів. Тепло, що відходить, безперервно генерується комп’ютерами, смартфонами, промисловим обладнанням, потужними енергетичними системами. Збирання цієї енергії дозволяє використовувати тепло замість того, аби воно було втрачене, та перетворювати на електрику.

    Традиційні системи збирання енергії обмежені фундаментальними принципами термодинаміки. Системи, що працюють у стані теплової рівноваги, мають суворі обмеження на кількість тепла, яке можна перетворити на електроенергію. Відношення між виробленою енергією та отриманим теплом, що відводиться, визначається коефіцієнтом Карно. Додаткові обмеження, зокрема, ККД Керзона-Альборна — (ККД за максимальної вихідної потужності), ще більше обмежують кількість енергії, яку можна отримати з тепла, що відводиться.

    Дослідники під керівництвом професора Тосімаси Фудзісави з кафедри фізики Токійського наукового інституту заявляють, що знайшли спосіб обійти ці обмеження. Замість традиційних теплових станів вчені використали властивості нетеплової рідини Томонагі-Латтінжера. Ця особлива одновимірна електронна система внаслідок унікальних квантових властивостей не прагне до теплової рівноваги. Це означає, що за подачі тепла система зберігає нетепловий, високоенергетичний стан, а не розподіляє енергію рівномірно, як у традиційних теплових циклах. 

    Для демонстрації потенціалу концепції дослідники провели експеримент. Вони інжектували тепло, що відводиться від квантового точкового резистора — пристрою, який керує потоком електронів, в термоелектричну рідину. Це тепло переносилось на кілька мікрометрів у тепловий двигун на квантових точках — мікроскопічний пристрій, що перетворює тепло на електрику за допомогою квантових ефектів. 

    Вчені переконались, що нетрадиційне джерело тепла виробляло значно вищу електричну напругу і досягало більшої ефективності перетворення.

    “Ці результати спонукають нас використовувати термоелектричні рідини як нетеплове джерело енергії для нових систем збирання енергії”, — зазначає Тосімаса Фудзісава. 

    Дослідники розробили модель, засновану на бінарній функції розподілу Фермі для нетеплових електронних станів , і використали її у запропонованій системі. Вчені продемонстрували, що їхній метод перевершує не тільки ККД Карно, а й ККД Керзона-Альборна. 

    “Наші результати показують, що тепло від квантових комп’ютерів та електронних пристроїв можна перетворити на корисну енергію за допомогою високопродуктивного збирання енергії”, — підкреслює Тосімаса Фудзісава. 

    Варто зазначити, що ККД Карно являє собою максимально можливий ККД для будь-якої теплової системи, що працює за умов постійної температури нагрівача T1 та охолоджувача T2. Оскільки ідеальні процеси можуть здійснюватися лише з дуже малою швидкістю, потужність теплової машини в циклі Карно дорівнює нулю. Потужність реальних теплових машин не може дорівнювати нулю, тому реальні процеси можуть наближатися до ідеального процесу Карно тільки з більшим або меншим ступенем точності. ККД будь-якої теплової машини не може перевершувати ККД ідеальної теплової машини, що працює за циклом Карно з тими ж температурами нагрівача і холодильника. 

    Результати дослідження опубліковані у журналі Communications Physics

    Джерело: SciTechDaily

    https://itc.ua/ua/novini/kvantova-energetyka-zdatna-obijty-tsykl-karno-za-efektyvnistyu-doslidzhennya/

  • Огромное накопление тепла в океане возле Антарктиды: высвобождение грозит резким потеплением и выбросом CO₂

    Огромное накопление тепла в океане возле Антарктиды: высвобождение грозит резким потеплением и выбросом CO₂

    Исследование американских климатологов из Университета Виктории обнаружило, что глубоко под Южным океаном может находиться большое количество тепла , которое когда-то внезапно освободится и поднимется на поверхность.

    С начала индустриальной эпохи мировые океаны превратились в огромные резервуары тепла . Около четверти выбросов CO₂ и более 90% избыточного тепла поглощаются океанами. Южный океан играет ключевую роль в этих процессах. Его мощные восходящие течения переносят большое количество тепла и углерода в глубинные слои. 

    Согласно выводам климатологов под руководством Айви Френджер, в дальнейшем этот механизм может стать обратимым. Исследователи использовали климатическую модель UVic v2.9 и проанализировали долгосрочный сценарий, в котором выбросы CO₂ сначала продолжают увеличиваться, а затем резко сокращаются и в конце концов достигают отрицательных значений, поскольку из атмосферы удаляется больше CO₂, чем попадает. 

    Модель продемонстрировала, что через несколько веков на фоне сокращения выбросов CO₂ Южный океан может внезапно начать вновь высвобождать накопленное им тепло с огромной скоростью. Это приведет к стремительному потеплению, по интенсивности сравнимому с антропогенной фазой изменения климата в XX и XXI веках. 

    Это стремительное потепление, как показывает климатическая модель, не обязательно будет сопровождаться значительным увеличением концентрации CO₂ в атмосфере. Из-за химических свойств морской воды углерод преимущественно будет оставаться похороненным в океане, однако будет высвобождаться тепловая энергия. Это может нарушить взаимосвязь между количеством CO₂ и глобальной температурой, которая до сих пор считалась стабильной. Итак, если человечеству даже и удастся реализовать климатические цели и снизить концентрацию CO₂ в атмосфере, подобный эффект может привести к новому стремительному повышению глобальной температуры на планете. 

    Авторы исследования предупреждают, что подобный механизм океана способен серьезно нарушить глобальную климатическую систему. Внезапный масштабный выброс тепла может привести к таянию морских льдов, изменению погодных условий и долговременному негативному влиянию на океанические течения . Экосистемы Антарктики и Южного океана также пострадают, поскольку резкие перепады температур могут нарушить баланс распределения питательных веществ и кислорода.

    Особенно критичным может стать уменьшение площади морского льда, что приведет к усилению отражения или поглощения солнечной радиации и, таким образом, спровоцирует дальнейшие обратные связи в климатической системе. Недостаточно сокращать выбросы в краткосрочной перспективе или полагаться на технические решения, такие как улавливание CO₂. Необходимо понять, как Земля реагирует на прошлые и будущие вмешательства и какие «отсроченные эффекты» все еще скрываются в глубинах океанов.

    Результаты исследования опубликованы в журнале AGU Advances

    Источники: Focus ; Igor’sLab

    https://itc.ua/news/ogromnoe-nakoplenye-tepla-v-okeane-vozle-antarktydy-vysvobozhdenye-grozyt-rezkym-poteplenyem-y-vybrosom-co/

  • Величезне накопичення тепла в океані біля Антарктиди: вивільнення загрожує різким потеплінням та викидом CO₂

    Величезне накопичення тепла в океані біля Антарктиди: вивільнення загрожує різким потеплінням та викидом CO₂

    Дослідження американських кліматологів з Університету Вікторії виявило, що глибоко під Південним океаном може знаходитись велика кількість тепла , яка колись раптово звільниться та підійметься на поверхню.

    Від початку індустріальної епохи світові океани перетворились на величезні резервуари тепла . Близько чверті викидів CO₂ та понад 90% надмірного тепла поглинаються океанами. Південний океан відіграє ключову роль у цих процесах. Його потужні висхідні течії переносять велику кількість тепла та вуглецю у глибинні шари. 

    Згідно із висновками кліматологів під керівництвом Айві Френджер, надалі цей механізм може стати оборотним. Дослідники використали кліматичну модель UVic v2.9 та проаналізували довгостроковий сценарій, у якому викиди CO₂ спочатку продовжують збільшуватись, а потім різко скорочуються та з рештою досягають від’ємних значень, оскільки з атмосфери видаляється більше CO₂, ніж потрапляє. 

    Модель продемонструвала, що через кілька століть на тлі скорочення викидів CO₂ Південний океан може раптово почати знову вивільняти накопичене ним тепло з величезною швидкістю. Це призведе до стрімкого потепління, за інтенсивністю порівнянного з антропогенною фазою зміни клімату у XX та XXI століттях. 

    Це стрімке потепління, як показує кліматична модель, не обов’язково супроводжуватиметься значним збільшенням концентрації CO₂ в атмосфері. Через хімічні властивості морської води вуглець переважно залишатиметься похованим в океані, однак вивільнятиметься теплова енергія. Це може порушити взаємозв’язок між кількістю CO₂ та глобальною температурою, яка досі вважалася стабільною. Отже, якщо людству навіть і вдасться реалізувати кліматичні цілі та знизити концентрацію CO₂ в атмосфері, подібний ефект може призвести до нового стрімкого підвищення глобальної температури на планеті. 

    Автори дослідження попереджають, що подібний механізм океану здатен серйозно порушити глобальну кліматичну систему. Раптовий масштабний викид тепла може призвести до танення морської криги, зміни погодних умов та довготривалого негативного впливу на океанічні течії . Екосистеми Антарктики та Південного океану також постраждають, оскільки різкі перепади температур можуть порушити баланс розподілу поживних речовин та кисню.

    Особливо критичним може стати зменшення площі морської криги, що призведе до посилення відбиття або поглинання сонячної радіації і, таким чином, спровокувати подальші зворотні зв’язки в кліматичній системі. Недостатньо скорочувати викиди в короткостроковій перспективі або покладатися на технічні рішення, такі як вловлювання CO₂. Необхідно зрозуміти, як Земля реагує на минулі та майбутні втручання та які “відстрочені ефекти” що все ще ховаються у глибинах океанів.

    Результати дослідження опубліковані у журналі AGU Advances

    Джерела: Focus ; Igor’sLab

    https://itc.ua/ua/novini/velychezne-nakopychennya-tepla-v-okeani-bilya-antarktydy-vyvilnennya-zagrozhuye-rizkym-poteplinnyam-ta-vykydom-co/