温度勾配によって駆動されるコロイド粒子の非平衡輸送現象

温度梯度驱动的胶体粒子非平衡输运现象

基本信息

批准号：
12J03258
负责人：
中山洋平
金额：
$ 1.73万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J03258/
关键词：
非平衡統計力学熱力学ゆらぎエントロピー粗視化熱機関

项目摘要

熱ゆらぎによってブラウン運動するサイズの微粒子に、温度勾配とそれに応じた外力場を加えることで、ゆらぎを利用して温度差から仕事を取り出す熱機関を実験的に実現することを目指して研究を行った。まず、温度勾配のもとで実効的なポテンシャルを生じさせることによって、熱機関としての動作を妨げる非平衡輸送現象であるソーレ効果の性質を、その大きさ・向きを変化させることができるコロイド粒子/高分子溶液系において調べた。実験手法としては、前年度に引き続き、レーザーの干渉縞によってサンプル中に温度勾配を形成して回折光強度からソーレ効果の大きさを測定する手法である熱拡散型強制レイリー散乱法をもちいた。石英コロイド粒子/ポリエチレングリコール水溶液系の実験結果を検討したところ、石英コロイド粒子の実効的なソーレ効果の大きさがポリエチレングリコール濃度に対して非線形的に変化しているという結果が得られた。また理論的には、これまで温度勾配や非平衡外力のもとでのブラウン運動において議論してきた異なる記述のスケールに関する問題を、少数個の異なる温度の熱浴に接触することで動作する熱機関のモデルに拡張した。このモデルにおいては、3つ以上の異なる記述のスケールが物理的に自然な状況で現れるため、まず詳細な記述のスケールからスタートして粗視化を行うことによって異なる記述のスケールにおけるダイナミクスを導いた。その上で、異なる記述のスケールにおける全系のエントロピー生成の関係に着目して、それらの間に一般には有限の差があることを明らかにした。

通过对由于热波动而进行布朗运动的细颗粒施加温度梯度和相应的外力场，我们正在进行研究，目的是实验性地实现利用波动从温度差中提取功的热机。首先，通过在温度梯度下产生有效电势，胶体颗粒可以改变索尔效应的大小和方向，索尔效应是一种阻碍热机运行的非平衡输运现象/在聚合物溶液系统中进行了研究。延续去年的实验方法是热扩散强迫瑞利散射法，该方法利用激光干涉条纹在样品中形成温度梯度，根据衍射光的强度来测量索雷特效应的大小。在检验石英胶体颗粒/聚乙二醇水溶液体系的实验结果时，我们得到了石英胶体颗粒的有效Soret效应的大小相对于聚乙二醇浓度呈非线性变化的结果。此外，理论上，温度梯度和非平衡外力下布朗运动中讨论的不同描述尺度的问题可以通过通过接触少量不同温度的热浴来运行的热机模型来解决。被扩展到在这个模型中，由于在物理自然情况下出现三种或更多不同的描述尺度，我们首先从详细的描述尺度开始，进行粗粒度的推导不同描述尺度的动态。然后，我们重点研究了不同描述尺度下整个系统的熵产生之间的关系，并阐明它们之间一般存在有限差异。