התרמודינמיקה עומדת בליבת המאמצים המדעיים לפתח מוליכות על-טבעיות (HTS) עבור שידור כוח.ללא הבנה עמוקה של עקרונות תרמודינמיקה - כגון אנרגיה חופשית, אנטרופיה ומעברי שלב - חוקרים נאבקים לזהות, לייצב ולייעל חומרים שמוליכים חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות יעילות כמעט.

מה הם Superconductors בעלי מתח גבוה?

Superconductors הם חומרים המציגים אפס התנגדות חשמלית כאשר קריר מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת (Tc) רגיל superconductors, הידוע בשם נמוך-temperature Superconductors (LTS), דורש צמרון ליד אפס מוחלט (בדרך כלל מתחת ל -30 K, או על -243 ° C), אשר דורש קירור כבד של Bcir-H) היה נמוך יותר, ב-Hcricercrecatexernbt), אשר היה מעל 7.

הנכס המכונן – התנגדות אפסית – גורם לחומרים האלה אטרקטיביים במיוחד להעברת חשמל.בחוט נחושת או אלומיניום קונבנציונלי, אפילו בטמפרטורת החדר, התנגדות גורמת לאנרגיה להתפזר כחום.הפסדים הירומאליים בקווי שידור בדרך כלל כמות ל-5 עד 10% של חשמל שנוצר, עלות כלכלית וסביבתית משמעותית.עלים מורכבים נושאים זרמים גדולים ללא חימום, המאפשרים לגנות חשמל מעבר לנתיבים עירוניים, כך שיוכלו להשיג יותר למתכת מתקדמת יותר.

מדוע התרמודינמיקה חשובה לסופר-התנהגותיות

מצב העל-מוליכים הוא שלב תרמודינמי, לא רק מצב של התנגדות נמוכה.עבור חומר להיות סופר-מוליכים, האנרגיה החופשית של שלב ה- ed-electron (זוג קואופאר) חייבת להיות נמוכה יותר מזה של השלב המתכתי הרגיל בטמפרטורה נתונה ושדה מגנטי.התרמודינמיקה מספקת את המסגרת לחישוב גבולות שלב, לקבוע את האנרגיה הנצפית (הבדל בין מצבים נורמליים וחיזוי), כיצד חומרים מסובייקטניים אלה הופכים ליציבות חיצונית.

תפקיד התרמודינמיקה בפיתוח סופר-מוליכים

אנרגיה חופשית ויציבות בשלב

(ב) [ה]]] [ה]]] [ה]]], [השינוי מן הרגיל למצב המוליכים-על-פי] מתרחש כאשר האנרגיה החופשית של מצב העל-העל-העל-ידי גיב (הדגשה:0GFLT:2GLT) נמוכה יותר מזו של הטמפרטורה השלילית (DLTGLTGLTGLT:5: 7GLT)

אנטרופיה גם ממלא תפקיד חיוני.במצב העל-המוליכים, אלקטרונים יוצרים זוגות קוהרנטיים, אשר מפחית את מספר המיקרו-מדינתיים נגישים בהשוואה למצב הרגיל שבו אלקטרונים מתנהגים באופן עצמאי, לכן, את הטרופי של שלב הקפיצה העל-העל הוא נמוך יותר.החוק השני של התרמודינמיות דורש כי בשלב המעבר, ההבדל האנטרופי חייב להיות עקבי עם החום המאוחר החלופה, כי הוא בדרך כלל מספק שינוי אופייני (0) של שינוי אופייני (R) של שינוי אופייני של שינוי).

הבנה של שלב המעבר

מוליכים עולה דרך שלב מעבר שבו אלקטרונים יוצרים זוגות קופר, מתכנסים למצב הקוונטים מאקרוסקופי.התרמודינמיקה מתאר את המעבר הזה באמצעות קרינת FLT:0Ginzburg-Landau התיאוריה של לנדאו 1 (FLT:1), המציג פרמטר הזמנה (הדחיסות של אלקטרונים מותאמים) ומביעה את האנרגיה החופשית כתפקוד של פרמטר זה קרוב ל- Tcall, יכול להיות פתוח כמו גם תכונות קריטיות של כוח, אשר מאפשר חישוביות.

בנוסף, דיאגרמת השלבים של HTS ראטs מורכבת.מלבד מוליכות סופר, חומרים אלה מציגים שלב אנטיפרומגנטי ו פסאודוגפגפ. המדידות הירודינמיקה כמו חום מסוים והתרחבות תרמית לחשוף מעברים בין השלבים האלה ומסייעים למפות את התנאים שבהם מוליכות העל מופיעה. לדוגמה, doping (adding or Removeedנשאs) מכוונן אנרגיה חופשית, וזוגות תרמודינמיקה מסבירים כמה נקודות תורמות ביותר.

הזמנה ראשונה לעומת הוראת שני

רוב המוליכים העל, כולל HTS, להציג מעבר שלב שני ב Tc בשדה מגנטי אפס.עם זאת, בתחומים מגנטיים יישומיים, המעבר למצב הרגיל יכול להיות הזמנה ראשונה בטמפרטורות נמוכות.התרמודינמיקה צופה את התנאים לשינוי זה - מחובר קפיצת מגנטיזציה ואת יחסי קלוס-קליוס-קלירון - וזה חיוני לתכנון מגבלות נוכחיות ומגנטים הפועלים תחת מוליכים כוח אסון אלה.

אופטימיזציה של חומרי גלם

ניתוח התרמודינמיקה מודיע ישירות אופטימיזציה חומרים.על ידי שינוי הרכב הכימי, החוקרים יכולים לשנות את מינימה אנרגיה חינם, גידול Tc או שיפור יכולת ההקרנה הנוכחית.למשל, בסרטים דקים YBCO, הוספת כמויות קטנות של אלמנטים נדירים-earth או הצגת מרכזי סיכה מלאכותיים (nanoparticles) יוצר הבדלים מקומיים באנרגיה חופשית כי מלכודות מגנטיות קווי סיכה הוא חיוני להשגת אתרים קריטיים עבור שדות מגנטיים של מגנטיים, כגון מגנטיים, כגון:

לחץ הוא עוד מדרד דינמיט (Ricalidic lever) החלת לחץ הידרוסטטי מחסחסס את ה- lattice, אשר משנה אינטראקציות אלקטרוניות ויכול להעלות את Tc. עבור חלק HTS, Tc עולה עד 20 K בלחץ של כמה ג'יגה-אפאסקליות.התרמודינמיקה מסבירה זאת באמצעות יחסי הדופק הקלוס-קלירון מראה כיצד שינוי ודחיסה משפיעים על ההבדל האנרגטי, באופן דומה, כמו דגנים צהובים של דלקתיים (דלקתיים) או דגנים קצרים (Ric) או דגנים).

השלכות על Power Transmission

ניהול כבלים ויישומים גריידיים

(הופנה מהדף מוליכים בעלי מזג אוויר גבוה), מעודנים באמצעות אופטימיזציה תרמודינמיים, מבטיחים שיפורים דרמטיים בתמסורת כוח (HTS) טיפוסי יכול לשאת שלוש עד חמש פעמים יותר מאשר כבל נחושת קונבנציונלי של אותו סעיף צלב, עם אפס הפסדים מנוגדים.קיבולת זו מפחיתה את הצורך בקווים מקבילים רבים, פשטות בקנה מידה של שטח העירוני מוקרן, ומאפשרת לדפוסי תת קרקעיים קיימים כדי להיות מגובשים עם כוח עליון:2FD.

התרמודינמיקה משפיעה ישירות על עיצוב מערכת הקירור. כבלי HTS חייב להיות נשמר מתחת Tc, בדרך כלל באמצעות חנקן נוזלי (מלווה על ידי מערכת Cryocooler או מחזור מחזור הדם) את היעילות התרמודדימית של מחזור ההפריה - את האפקטיביות של ביצועים (COP) - קובע את יעילות המערכת הכוללת. כי הקרונומטרה מגדירה מקסימלית עבור מעלית טמפרטורה נתונה, מהנדסים חייבים את הביצועים של התרמודינמיקה של טמפרטורת חום גבוהה (טמפרטורות סטנדרטיות) במיוחד נגד שפעת חום סטנדרטית) ואפקט חום סטנדרטית (Ricrematicdicicic) הוא חום סטנדרטית) עם ⁇ טמפרטורה יעילה יותר, במיוחד.

הגבלות נוכחיות ו- Transformers

מעבר לכבלים רגילים, HTS משמשים במגבלה הנוכחית של תקלות (FCLs) ו- Superconducting Transformers. FCLs לנצל את המעבר העל-טבעי (quench) כדי להגביל את פני התקופות במהלך תקלות רשת.thermodynamics צופה כי הדינמיקה של פעולת ה-quenchation: הטמפרטורה המקומית עולה, קצב של אזורי נורמלי, וזמן ההתאוששות מבטיח את החומרים ה-Hicicicicicremecumeremeremeremeremeremeremereme במהירות לא יעיל מספיק כדי להגן על ה- אבל לאותם של חומרים מזיקים.

מהפךים מוליכים סופר מציעים יעילות גבוהה יותר וטביעה קטנה יותר מאשר אלה קונבנציונליים, אבל הם דורשים קירור Cryogenic.ניתוח דינמי של הפסדים (hysteresis, זרמי אדדי במנצח, הפסדים דיאלקטריים ב insulation) מנחה את העיצוב של רוחות בתדר נמוך.הפוטנציאל של משקל מופחת וגודל הוא במיוחד מושך בחוות רוח ומערכות כוח הספינה.

כיוונים עתידיים

חדר-Temperature Superconductors

המטרה הסופית - מוליכות בטמפרטורה ולחץ - נשארים חמקמקים, אבל תרמודינמיקה ממשיכה להנחות את החיפוש.פריצות האחרונות הושגו בתרכובות עשירות מימן תחת לחץ קיצוני: lanmo hydride (LaHoris בשלב התרמודינמיקה: 010FLT:1) מציגות מוליכות על 250 (-23 מעלות צלזיוס) בלחץ סביב 170a hydricials (HFLT) ו-Ricial) קרוב ל-Ricials)

Machine Learning and High- Throughput Thermodynamics

(הבדיקה חישובית גבוהה, המופעלת על ידי תרמודינמיקה, היא צוברת חומרים גילוי מסדי נתונים כמו FLT:0Materials Projects Project TERFLT:1 ו-FLT:2 חומרים טופולוגיים מסד נתונים של נתונים 3, עכשיו כוללים אנרגיות מחושבות, דיאגרמות שלב וטמפרטורות מעבר על פני אלפי תרכובות.

עקבו אחרי Practical HTS Wires

אפילו לחומרים קיימים של HTS כמו YBCO, תובנות תרמודינמיות ממשיכות לשפר את ביצועיו.גבולות Grain בפוליקלקלין HTS לפעול כקישורים חלשים, הגבלת הזרם הקריטי של אנרגיית גבול דגנים והפרדה solute מסייע להפחית את זווית הסיכות הלא נאותה ולשפר את קישוריות האנרגיה הנוכחית.

גבול נוסף הוא התפתחות של (FLT:0) סגסוגת גבוהה-פרופורציה 1FreaLT, שבו אלמנטים מתכתיים מרובים מעורבים בפרופורציות כמעט-השוויון.חומרים אלה מנצלים ייצוב תרמודינמי כדי להתקיים בשלבים חד-פעמיים פתרון מוצק.חלק מהם מציגים מוליכות על-טבעית בטמפרטורות בינוניות (several vin), אך העקרונות התרמודינמיקה של תצורה אנטרופיה ונית של שילוב מוקדם של תרמו-רפאה יכול להיות מורחב של מתודולוגיה, אך ניתן לשילוב מוקדם של התרמודינמיקה של התרמודינמיקה, אך ניתן לשילוב מוקדם של התרמודינמיקה, אך ניתן להרחיב את התרמודינמיקה של התרמודינמיקה של התרמודינמיקה של התרמודינמיקה, אך ניתן למצוא את התרמודינמיקה של התרמודינמיקה של התרמודינמיקה של התרמודינמיקה של התרמו-HMSDIphsy.

אתגרים והדרך קדימה

למרות ההבטחה, אתגרים תרמודינמיים משמעותיים נשארים.הפסדים AC ב קלטות HTS - הנגרמת על ידי העיפרון השדה המגנטי המשתנה של השדה המגנטי חודר את הקלטת - חום מולד כי יש להסיר על ידי Cryocoolers, צמצום היעילות הכוללת. אופטימיזציה של התרמודינמיקה של ארכיטקטורת קלט (למשל, striation, filaments מעוות) נועד למזער את ההפסדים אלה תוך שמירה על צפיפות גבוהה, יתר לחץ דם חום, כמו גם מטמפרטורה קירור (כמו קיבולת) טמפרטורות קירור) או טמפרטורות קירור (כמו קיבולת) טמפרטורות קירור קיבולת נמוכה יותר קיבולת נמוכה יותר קיבולת נמוכה יותר קיבולת נמוכה יותר קיבולת קיבולת קיבולת נמוכה יותר קיבולת (למשל קיבולת) קיבולת נמוכה יותר קיבולת) קיבולת נמוכה יותר קיבולת קיבולת נמוכה יותר קיבולת נמוכה יותר קיבולת) קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת (כמו קיבולת נמוכה יותר קיבולת נמוכה יותר דחוסהלחץ חום קיבולת קיבולת קיבולת נמוכה יותר דחוסה קיבולת נמוכה יותר דחוסה קיבולת נמוכה יותר קיבולת (למשל קיבולת נמוכה יותר קיבולת של קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת נמוכה יותר קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת

בטווח הארוך יותר, שילוב HTS לרשת המיועדת למוליכים מתנגדים ידרוש ניתוח תרמודינמי ברמה מערכות - בעלות הון, צריכת חשמל קירור ויכולת שידור. כלי הערכת מחזור חיים המשלבים יעילות תרמודינמית יקבעו אילו יישומים (כבלים מתחת לפני הקרקע, היפר-מוליכים, או מגבילים הנוכחיים) יניבו את היתרון הגדול ביותר ברשת.

התרמודינמיקה אינה רק גישה תיאורטית למחקר על-מוליכים; היא המנוע שמניע גילוי, אופטימיזציה ופריסה מעשית. מן האנרגיה החופשית המגדירה את המעבר בשלב להתחדשות ה Cryogenic המקיימת פעולה, כל צעד במסע מניסוי מעבדה ועד כבל חשמל קורא רשת מבוסס על עקרונות תרמודינמיקה.

על ידי הבנה וניהול מערכות יחסים תרמודינמיקה אלה, מדענים ומהנדסים יכולים להביא את החזון של רשתות חשמל ללא אובדן, בעלות גבוהה קרוב יותר למציאות, צמצום פסולת אנרגיה ומאפשר תשתית חשמל בר קיימא יותר.