「自律的な熱機関」の熱力学の構築

“自主热机”热力学构建

基本信息

批准号：
14J07602
负责人：
白石直人
金额：
$ 1.79万
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：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度の主要成果として、効率とパワーの間の普遍的トレードオフ関係の構築が挙げられる。1年目の研究成果である部分エントロピー生成の手法を応用することで、効率とパワーの間のトレードオフ不等式を導いた。この不等式は、熱機関のダイナミクスがマルコフ過程で与えられるという条件さえ満たしていれば、たとえ激しい非平衡状態に途中がなっていたとしても、また磁場などによって時間反転対称性が破れていたとしても、成り立つような極めて一般的な関係式である。この不等式は、効率を上げようとするとその分原理的な最大のパワーが下がらざるを得ないことを示しており、特に効率がカルノー効率に達する際にはパワーがゼロにならなければいけないという禁止定理をコロラリーに含んでいる。本研究結果は、効率とパワーという、熱力学における基本的な量でありながら、長らくその関係が分かってこなかった二つの量に対し、初めて一般的な関係を明らかにするものである。これにより、2年目の結果においては「仮定」とされていた「有限パワーかつカルノー効率の熱機関は存在しない」という事実を証明することに成功したため、「自律的な熱機関のカルノー効率達成条件」は定理の形にすることが出来た。さらに申請者は、2年目の証明における時間反転対称性の仮定をなくすことにも成功し、得られた条件は磁場や運動量などがあっても一般に成り立つ結果であることが分かった。さらに、この達成条件の物理的意味を考察した結果、熱機関が有限の大きさか、それとも（熱力学極限とみなせる）マクロな大きさかによって、極めて異なる帰結がもたらされることが分かった。これらの差異の生じるメカニズム、どのような熱機関がそれぞれの条件を満たすか、等も明らかにすることが出来たため、「自律的な熱機関」の熱力学における基礎的な量である最大効率についての性質は、本研究で明らかにできたと考えている。

今年的一大成果是建立了效率与功率之间普遍的权衡关系。通过应用第一年研究成果的部分熵生成法，我们得出了效率和功率之间的权衡不等式。只要热机的动力学由马尔可夫过程给出，即使存在严重的非平衡状态，或者如果时间反转对称性由于磁场等而被打破，这个不等式就成立。极其普遍的关系表达式成立。这个不等式表明，如果试图提高效率，理论上的最大功率必须相应降低，特别是，它指出当效率达到卡诺效率时，功率必须变为零。该定理包含在推论中。这项研究的结果首次阐明了效率和功率之间的一般关系，这两个量是热力学的基本量，但其关系长期以来一直未被理解。结果，我们成功地证明了“具有有限功率和卡诺效率的热机不存在”这一事实，这是在第二年的结果中假设的“条件”可以用定理的形式表示。此外，申请人在第二年的证明中成功地消除了时间反演对称性的假设，并发现即使在磁场、动量等存在的情况下，所获得的条件也通常成立。此外，考虑到这一实现条件的物理意义，我们发现，根据热机是有限尺寸还是宏观尺寸（可视为热力学极限），会带来截然不同的结果。由于我们能够阐明这些差异发生的机制以及什么样的热机满足每个条件，我们现在能够阐明最大效率，这是我们相信的“自主热机”热力学中的一个基本量。我们已经能够通过这项研究澄清其本质。

项目成果

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科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Role of measurement-feedback separation in autonomous Maxwell's demons

DOI：
10.1088/1367-2630/17/4/045012
发表时间：
2015-01
期刊：
New Journal of Physics
影响因子：
3.3
作者：
Naoto Shiraishi;Sosuke Ito;Kyogo Kawaguchi;T. Sagawa
通讯作者：
Naoto Shiraishi;Sosuke Ito;Kyogo Kawaguchi;T. Sagawa

Attainability of Carnot efficiency with autonomous engines

使用自主发动机实现卡诺效率

DOI：
10.1103/physreve.92.050101
发表时间：
2015
期刊：
Physical Review E
影响因子：
2.4
作者：
Y. Yokoyama;D. Ootsuki;T. Sugimoto;H. Wadati;J. Okabayashi;Xu Yang;Fei Du;Gang Chen;and T. Mizokawa;T. Ishida and T. Tsukahara;N. Shiraishi
通讯作者：
N. Shiraishi

No-go theorem for Carnot efficiency with finite power

有限功率卡诺效率的不可行定理