非平衡統計力学的手法による有限時間で動作する熱機関の効率の探究

使用非平衡统计力学方法探索热机在有限时间内运行的效率

基本信息

批准号：
15J00410
负责人：
村下湧音
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：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

揺らぎの定理は系の時間反転に対する熱力学的な不可逆性と，その過程における確率的エントロピー生成とが定量的に結びつくことを示す．然しながら，物理的な過程の中には不可逆性が強すぎて，確率的にでさえ時間反転過程が取れないような事象が存在する．先行研究において我々はそのような状況を絶対不可逆と名付け，揺らぎの定理を絶対不可逆性の程度を表すパラメータを含む形に修正した．修正された揺らぎの定理からはエントロピー生成に対する熱力学第二法則よりも強い制約が導かれる．すなわち，熱機関の過程に絶対不可逆性が含まれれば，取り出せる仕事は絶対不可逆性により制約を受けることになる．我々は量子開放系において絶対不可逆な揺らぎの定理を示した．先行研究と同様に絶対不可逆性が存在すると，取り出せる仕事について熱力学第二法則よりも強い制約が現れる事がわかった．量子開放系における特色は，絶対不可逆性と量子コヒーレンスとが密接に関係している事である．系に対する射影測定を行い，その後に古典的な（対角な）時間発展をさせると，一般には絶対不可逆性が生じる事が知られている．然しながら，射影測定を行なった直後に，量子的な（非対角な）時間発展を許すと，絶対不可逆性が抑制される事がわかった．このように，量子コヒーレンスが存在すると絶対不可逆性が抑制され，熱力学的に有利になる場合がある事がわかった．また，カオス系における不可逆性について絶対不可逆性の観点から考察を行った．散逸カオス系に於いて，位相空間上のアトラクタのフラクタル構造が不可逆性の創発の主因となることが知られている．我々は保存カオス系においても過渡的な時間領域でフラクタル的な構造が現れることを絶対不可逆性を用いて数値的に示した．このようなフラクタル描像による不可逆性の理解は，系のダイナミクスが散逸的か保存的かに依らない普遍的なものであると期待できる．

涨落定理表明，系统相对于时间反演的热力学不可逆性与过程中随机熵的产生定量相关。然而，有些物理过程是不可逆的，即使随机地也不可能发生时间反转过程。在之前的研究中，我们将这种情况命名为绝对不可逆性，并修改了涨落定理，加入了一个代表绝对不可逆程度的参数。修改后的涨落定理比热力学第二定律对熵产生有更强的约束。换句话说，如果热机过程中包含绝对不可逆性，则可提取的功将受到绝对不可逆性的限制。我们已经证明了量子开放系统中绝对不可逆波动的定理。与之前的研究一样，我们发现当绝对不可逆性存在时，对可提取的功有比热力学第二定律更强的约束。量子开放系统的一个特点是绝对不可逆性和量子相干性密切相关。众所周知，当对系统进行投影测量然后进行经典（对角）时间演化时，会发生绝对不可逆性。然而，我们发现，如果我们在投影测量后立即允许量子（非对角）时间演化，绝对不可逆性就会受到抑制。通过这种方式，我们发现量子相干性的存在抑制了绝对不可逆性，并且可能在热力学上是有利的。我们还从绝对不可逆性的角度考虑了混沌系统中的不可逆性。在耗散混沌系统中，相空间吸引子的分形结构是不可逆性出现的主要原因。我们通过数值证明，即使在使用绝对不可逆性的守恒混沌系统中，分形结构也出现在瞬态时域中。无论系统的动力学是耗散的还是保守的，使用这种分形图对不可逆性的理解预计是普遍的。

项目成果

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Gibbs Paradox Revisited from the Fluctuation Theorem with Absolute Irreversibility

从绝对不可逆涨落定理重新审视吉布斯悖论

DOI：
10.1103/physrevlett.118.060601
发表时间：
2017
期刊：
Phys. Rev. Lett.
影响因子：
0
作者：
E. Paris;L. Simonelli;T. Wakita;C. Marini;J.-H. Lee;W. Olszewski;K. Terashima;T. Kakuto;N. Nishimoto;T. Kimura;K. Kudo;T. Kambe;M. Nohara;T. Yokoya;N. L. Saini;杉本貴則;Yuma Morita and Makoto Tomita;Yuto Murashita and Masahito Ueda
通讯作者：
Yuto Murashita and Masahito Ueda

The Gibbs paradox revisited from the fluctuation theorem with absolute irreversibility

从绝对不可逆的涨落定理重新审视吉布斯悖论

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yuto Murashita;Naoto Kura and Masahito Ueda;村下湧音，Zongping Gong，蘆田祐人，上田正仁;Yuto Murashita and Masahito Ueda
通讯作者：
Yuto Murashita and Masahito Ueda

複数熱浴と結合した一粒子系のoverdamped極限

多个热浴耦合的单粒子系统的过阻尼极限