צמצום הגבולות התרמודינמיקה של כוח מיניאטורי ומיקרו-סול מערכות

הפיזיקה של דחיסות אנרגיה קטנה-Scale

קידום במיניטוריזציה דחק מערכות חשמל מסוללות בקנה מידה סנטימטר ל גנרטורים מיקרו-אלקטרוניקה וקציני מינרלים ננומטריים thermoelectric קצירים. as מכשירים מתכווץ, מסגרות תרמודינמיקה קלאסיות ששולטות במנועי מאקרו בקנה מידה לא מספיקות.הבנת הגבולות התרמודינמיקה היסודיים של מערכות כוח זעירות ומיקרו-scale הוא קריטי לתכנון מקורות אנרגיה יעילים ואמינה עבור יישומים החל ממכשירים רפואיים מושתלים למיקרו-אוטומטיים אוטונומיים.

האתגר הוא כי בקנה מידה קטן, אפקטים על פני השטח, תופעות קוונטיות, ותנודות סטטיסטיות לשלוט.רווחי יעילות הם קשה יותר להשיג, והנחות המסורתיות של מכניקת רצף ותרמודינמיקה רבת-ממדית מתפרקים. מהנדסים ופיזיקאים חייבים לכן לבחון מחדש כיצד אנרגיה מומרת, מאוחסנת, וניתוקת בממדים אלה.

חוקי סקר והשפעותיהם על ביצועי הירודינמיקה

אחד השיקולים הראשונים כאשר מדובר במערכות חשמל בקנה מידה מיקרו-ממדי הוא כיצד התרמודינמיקה מקנה בקנה מידה עם גודל.עבור מנוע עם אורך אופייני:0LearFLT:1, שטח פני השטח בקנה מידה כמו FLT:2L2L20303FLT 3, בעוד המאזניים כמו FLT:4L3FLT:5 זה התבוננות גיאומטרית פשוטה יש השלכות עמוקות:

(FLT:0) פירוק היתול הופך להיות משמיד פני השטח של ההרחבה 1:1 [בסולקים קטנים, חום שנוצר בתוך מכשיר יש לדחות באמצעות שטח משטח גדול יחסית בהשוואה לנפח.עם זאת, משככי חום אחידים גם משתנים בקנה מידה קטן עקב דינמיות נוזלים משתנות.
(FLT:0) inertia ירדת FIRLT:1 . . .זמן תרמי קנה מידה בערך כמו L2, כלומר מערכות בקנה מידה מיקרו-סול יכול לחמם ולקרר את ההזמנות של גודל מהר יותר מאשר עמיתים מאקרוסקופיים - פתח אפשרויות עבור אופניים מהירה אבל גם עושה ניהול תרמי מאתגר יותר.
יחס פני השטח-לכול משפיע על הקינטיקה של התגובה: 1 במיקרו-בוסים או תאי דלק, שטח פני השטח הגבוה יכול לשפר את התגובות הקטליטיות, אך גם מוביל לאובדן חום מוגבר מאזור התגובה.

חוקים אלה מדרגים את השינוי היסודי שבו מתרחשים אובדן אנרגיה.בעוד מנועי מאקרוסקופיים מוגבלים לעתים קרובות על ידי העברת חום דרך קירות גלילי, מיקרו-מנועי מוגבלים על ידי היכולת לשמור על שטף טמפרטורה על פני נפח פעיל זעיר. וכתוצאה מכך, יעילות המכונית האידיאלית, בהתחשב על ידי ⁇ Carnot = 1- t T hot, הופך קשה יותר כי ההבדל הכרחי לטמפרטורה קשה כדי לשרוד חום גדול ללא חום.

גבולות תיאולוגיים קלאסיים המוסמכים עבור מערכות מיניאטוריות

החוק השני ו- Finite-Time Thermodynamics

במערכות מקרוסקופיות, החוק השני של תרמודינמיקה קובע את היעילות המקסימלית עבור מנוע חום שפועל בין שני מאגרים.במיקרו-אזורים, עם זאת, ההנחה של תהליכי quasi-equilibrium הופכת לעשירית. Finite-time חשבונות תרמודינמיקה של עובדה כי מנועי אמיתי צריכים לפעול במהירות סופית, המוביל למכשולים מחיכוך, חום, דליפות, לחץ, ולחצים עבור מנוע מיקרו-אופטימיים יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כמו מנוע יעיל יותר, כלומר, הוא יעיל יותר, כמו גם כן, כמו מנוע מסחר יעיל יותר, הוא יעיל יותר, כמו גם כן, כלומר, יעיל יותר, כמו מנוע יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו מנוע יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו מנוע יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, עבור יעילות מיקרו-מחדשניגן יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, עבור מנוע יעיל יותר, עבור יעילות מיקרו-מחדשניגן יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר,

החוקרים הראו כי יעילות Curzon-Ahlborn ( ⁇ CA = 1 − ⁇ (T c/T h) היא לעתים קרובות יותר ריאליסטית גבוהה עבור מנועי קטנים.מחקרים על מנועי סטרלינג מיקרו-מסווג טורבינות גז מיקרו מאשר כי יעילות נמדדת הם בדרך כלל פחות ממחצית היעילות של Carnot עקב הפסדים בלתי הפיכים אלה.

דור אנטרופיה במיקרו-Scale Systems

איראבריות לייצר אנטרופיה, ובמערכות קטנות קצב הייצור האנטרופי יכול להידרדר באופן משמעותי מתחזיות המבוססות על תכונות גדולות.לדוגמה, בחילופי חום מיקרו ערוצים, הדור האנטרופי נשלט לא רק על ידי העברת חום על פני הבדל טמפרטורה סופי, אלא גם על ידי ניתוק מול צינורות הידראולי מתחת 1 מ"מ, מספר הממד חסר משקל יכול להצביע על ידי גודל גדול יותר, אלא גם על ידי מקבילים פחות יעיל.

יש לכך השלכות ישירות על כל מערכת כוח שמסתמך על החלפת חום חיצונית – כגון מחזורי מיקרו-דירוג או גנרטורים תרמואלקטריים. אופטימיזציה קפדנית של גיאומטריה ערוץ ומשטרי זרימה נדרשים למזער את הייצור האנטרופי תוך שמירה על העברת חום נאותה.

קוונטית: Thermodynamics at the Nanoscale

בעוד אנו ניגשים לגודל ננומטר, יש להגדיל את חוקי התרמודינמיקה הקלאסית עם מכניקת הקוונטים.תרמודינמיקה קוונטית היא שדה מתפתח במהירות, אשר מתייחס כיצד ההמרה אנרגיה מתנהגת כאשר רמות האנרגיה הן דיסקרטיות ואפקטי קוהרנטיות החומר.

שינויים קוונטיים והפרת היחסים של פלוגציה קלאסית - דיסיפופציה

במערכות מיקרו וננו-scale, אנרגיית החום תרמית k B T יכול להיות דומה לספיגה בין רמות אנרגיה קוונטיות.זה מוביל לתנודות משמעותיות במספרים חלקיקים, טמפרטורה ואפילו פלט כוח המנוע.משפט התנודות (למשל, משפט תנודות קרוטוקס וג'ראנזיסקי שוויון) לספק דרך כדי לכמת את ההסתברות של התבוננות טרנסנדנטית של החוק השני לכדי הסתברות של חום ממוצע, אם כי יש חום קצר לאטמוספירה לאטמוספירה של זמן קצר לרמה נמוכה לרמה נמוכה, אם כי אין זמן קצר לאחר מכן, אם כי אין הסתברות של מזג אוויר חום, אם כי יש חום, אם כי הוא חום, אם כי הוא ממוצע של טמפרטורה נמוכה יותר חום, אם כי יש חום, אם כי הוא חום, אם כי הוא ממוצע של זמן קצר על פני זמן קצר חום, אם כי הוא חום, אם כי יש חום, אם כי יש חום, אם כי הוא חום, אם כי יש חום, אם כי יש חום, אם כי הוא קבוע חום, אם כי הוא קבוע חום, אם כי הוא ממוצע של טמפרטורה נמוכה יחסית, אם כי הוא חום, אם כי הוא חום, אם כי הוא ממוצע של טמפרטורה נמוכה יותר חום, אם כי יש חום, אם כי יש חום, אם כי יש חום, אם כי

הבנת תנודות אלה היא חיונית לתכנון מקורות אנרגיה אמינים עבור יישומים קריטיים כמו מכשירים רפואיים מושתלים. קוצב המופעל על ידי גנרטור תרמואלקטרי ננומטרי לא יכול לסבול אפילו רגע צף של זרימת כוח הפוכה.

עקרון קרקעית ומידע-אנרגיה-אנרגיה של לנאר

בקנה מידה קטן יותר, פעולת מדידה או שליטה במצב של מערכת צורכת אנרגיה.עקרון של לנאוור קובע כי מחיקת מידע אחד ב- זיכרון מתפזר לפחות k B T ln 2 של חום. במערכות כוח בקנה מידה מיקרו-scale המשלבות חיישנים, בקרים, או תיקון, גבול יסודי זה יכול להיות חלק משמעותי של תקציב האנרגיה הכולל.

מיקרו-Scale Power Conversion Technologies וגבולותיהם

גנרטורים

גנרטורים (TE) להמיר את הבדל הטמפרטורה ישירות לתוך מתח חשמלי באמצעות אפקט Seebeck.יעילותם נשלטת על ידי הדמות חסרת הממד של ה- ZT = (S2 ⁇ / λ T, שבו S הוא קידוד Seebeck, ⁇ ⁇ מוליכים חשמליים, ו- λ התנהגות תרמית. במיקרו-scales, חומרים תרמואלקטריים מסורתיים כגון bimuth telluride סביב 1T טמפרטורה .

(FLT:0)Nanostructuringing: 1) יכול לשפר את ZT על ידי צמצום מוליכות תרמית של צמיגים ללא שילוב של מוליכות חשמלית.
(ב) [ה]: במיקרו-סול, ההתפוגגות התרמית בין TE לבין מקור החום / הנימוק הופכת קריטית.
(FLT:0) הגבלת גבולות ההקצאה 1:1: גם עם חומרים מושלמים, יעילות היא כבולה על ידי הגבלת הקרונו, אבל נקודת הכוח המקסימלית מתרחשת בערך חצי יעילות של הקרונוט עבור גנרטור פשוט TE, כפי הנגזר ממודל המעגל המקביל.

מנועים של מיקרו-קוקציה

טורבינות גז מיקרו ומנועי הבעירה פנימית שואפים לרתום אנרגיה כימית מדלקים עבור הנעה או ייצור חשמל.עם זאת, הגדלה מציגה להבה חמורה הנקה עקב יחסי משטח גבוה לנפחים. עובי הלהבה ( 1 ס"מ עבור אש מתאן-אוויר בלחץ אטמוספירי) הופך למקביל לממדים של קובוס (1 מ"מ), המוביל למחסור חום וחום באמצעות קירות.

(FLT:0)FlameייצובationFLT:1 מושג באמצעות בעירה קטליטית, מדיה ⁇ , או חמצון ללא להבה (MILD combustion) שיטות אלה מאפשרות הפעלה טמפרטורה נמוכה יותר, אך להפחית את יעילות תרמודינמית.
(FLT:0) ניהול רב-ממדי (thermal ManagementFLT:1): אובדן חום גבוה אומר כי יעילות תרמית בפועל של מיקרו-רובובוס לעתים רחוקות עולה על 5-10%, בעוד מנוע אידיאלי של Carnot יהיה הרבה יותר גבוה.

מנועים ממריצים Micro-Fabricated Stirling Engines

מנועי סטרלינג מציעים את הפוטנציאל ליעילות גבוהה בשל המחזור הסגור שלהם ואת הבעירה החיצונית (או כל מקור חום) מנועי סטרלינג בקנה מידה מיקרו מוטבעו באמצעות טכניקות MEMS. עם זאת, המארגן מחדש - מרכיב מפתח - חייב להיות מאוד מבנים mesh דק מאוד (pores - 10 מיקרומטר) כדי לספק יכולת מספקת תוך צמצום נפח מת.

הניתוח ההוריקטי מציין כי מספר Beale (המידע לתפוקה של כוח) יורד באופן דרסטי כמו טיפות בגודל מתחת 1 ס"מ3. AFLT:02019 נייר ב- Nature Scientific ReportsFLT:1 הראה מנוע ממריץ MEMS עם פלט של 10 μW בלבד, עם יעילות 1.2% של Carnot, הדגשת הפער בין התיאוריה והפרקטיקה במיקרו-מידה.

אנרגיה ממקורות Ambient

Piezoelectric, אלקטרומגנטי, ואלקטרוסטטי קצירי אנרגיה להמיר רטטים או ⁇ תרמי לתוך חשמל.מערכות אלה אינן מנועי חום במובן הקלאסי, אבל הם עדיין מוגבלים על ידי שיקולים תרמודינמיקה:

(FLT:0) יבולים חשמליים (Piezoelectric HarvestersFLT:103): המרה האנרגיה המקסימלית לכל מחזור נקבעת על ידי הפיכה מכנית-חשמלית (k2) עבור קרמיקה PZT נפוצה, k2 הוא בדרך כלל 0.3-0.5, כלומר לפחות מחצית אנרגיית קלט מכנית מתפזרת כמו חום.
(FLT:0) קצירי אנדרומואלקטרי על לבישים LT:1: הגוף האנושי מספק הבדל טמפרטורה של רק כמה קלווין יחסית למעום.יעילות הקרונוטית היא 11-2%, ולאחר חשבונאית לכל האבדות הטפיליות, גנרטורים תרמואלקטריים אמיתיים לחום הגוף להשיג תחת יעילות 0.1%.

הגבלת העברת חום במערכות Miniaturized

העברה יעילה של חום היא המנוף של כל מערכת חשמל תרמי.במיקרו-סול, coefficients של העברת חום אחידה משופרת מיקרו-ערוצים בשל שכבת גבול מופחתת, אבל הירידה בלחץ גם עולה באופן דרמטי, לעתים קרובות דורש משאבה חיצונית כי צורכת שבריר משמעותית של הכוח המיוצר.

העברת חום שלב-שינוי - גידול ומיזוג - יכול לספק חסכוני מאוד להעברת חום גבוהה מאוד, אבל גלי חום קריטי (CHF) מגביל את הסרת החום המקסימלית.במיקרו-ערוצים, CHF מופחת בהשוואה לערוצים גדולים יותר בשל הזזות. שתי מערכות קירור מיקרו-קלאז, כגון אלה באמצעות צינורות חום או תאי vapor, יכולים להשיג התנהגות יעילה של מאות פעמים הם מוגבלים, אבל הם מוגבלים על פני השטח הקטן של נפח נחושת.

מגבלות העברת חום אלה משפיעות ישירות על יעילות התרמודינמיקה של כל מערכת כוח בקנה מידה מיקרו, המסתמך על סמן טמפרטורה, ובכך מחזקת את החשיבות של תכנון משותף של מערכת דחיית החום עם הממיר עצמו.

חידושים חומריים לדחוף את הגבולות

מחסומים תרמודינמיקה בסקאלות קטנות דורשות חומרים עם תכונות מותאמות.כמה כיוונים מבטיחים כוללים:

(FLT:0) חומרי שינוי (PCMs)BuildFLT:1: בשימוש לאחסון אנרגיה תרמי, PCMs יכול לספוג כמויות גדולות של חום כמעט קבוע טמפרטורה, המאפשרים למיקרו-מנועי לטבול עומסי חום טרנספורמטיביים.
(FLT:0) Thermoelectric superlatticessFIRLT:1: על ידי שינוי שכבות ננומטרי של חומרים שונים, תחבורה phonon מפוזרת באופן סלקטיבי בעוד התחבורה האלקטרונית נשמרת.
(FLT:0) ⁇ גבוהה-entropy ⁇ sFLT:1: עבור רכיבים מבניים שצריכים לעמוד על אופניים תרמיים, ⁇ גבוהה-טרופיה מציעים כוח מכני משופר ויציבות תרמית, המאפשר טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר ובכך יעילות גבוהה יותר של Carnot.

יישומים נהיגה במחקר

הצורך המעשי של כוח קומפקטי, גבוה מאוד הוא מאיץ מחקר על תרמודינמיקה בקנה מידה מיקרו. יישומי מפתח כוללים:

(FLT:0) מכשירים רפואיים הניתנים להחלפה 1: פייסmakers, נוירוסנסמולטורים, משאבות משלוח תרופות דורשות מקורות כוח לאורך זמן ללא סוללות הדורשות החלפת כירורגית.הנרטורים הקצירים חום גוף הם מועמד, אבל יעילותם חייבת לשפר את יכולתן לספק רמות כוח קיימא.
(FLT:0) חיישנים של דברים (IoT) 1FLT: חיישנים אוטונומיים מפוזרים על פני צמחים תעשייתיים, גשרים או שדות חקלאיים צריכים לפעול במשך שנים.אנרגיה קצירת רטטים, אור, או ⁇ תרמיים הוא חיוני, אבל תקציב הכוח - לעתים קרובות בטווח המיקרו-וואט - מעצימה את המורכבות של רגישות ותקשורת.
(FLT:0Micro-satellites ו- CubeSatsspherph:1: פלטפורמות אלה יש נפח נוקשה תקציבים המוניים. . מיקרו-קורסלופ גנרטורים תרמואלקטריים (RTGs) באמצעות תרמואלקטריים פילים דקים יכול לספק כוח מתמשך במשך עשרות שנים, אבל יעילות ההמרה של פחות מ -10% מגבילה את התפוקה של חשמל למספר וואט ממקור קטן.
(FLT:0Micro-roboticsFLT:1): מיקרו-רובוטים אוטונומיים עבור ניטור סביבתי או הליכים רפואיים דורשים על כוח לוח שיכול לספק התפרצויות של כוח גבוה עבור תנועה.מנועי מיקרו-רובוט הוכחו, אבל חוסר היעילות התרמודינמי מגביל את יכולתם; משככי אדזואלקטריים המונעים על ידי מטען עשוי להיות מעשי יותר.

שאלות פתוחות ודרכים פתוחות

בעוד שצעדים גדולים נעשו בהבנה ובהנדסה של אנרגיה בקנה מידה מיקרו, נותרו מספר שאלות בסיסיות:

(FLT:0) יכול להיות קוהרנטיות קוונטית רתומה?BuildFLT:1; עבודה תיאורטית עדכנית מרמזת כי מנועי קוונטים יכולים לעלות על יעילות קלאסית של Carnot אם קוהרנטיות נשמר במהלך המחזור.עם זאת, הפגנות ניסיוניות בטמפרטורת החדר עדיין חמקמקות.אם הבינו, זה יכול לשנות באופן יסודי את הנוף של כוח מיקרו-היקף.
(FLT:0) כיצד נוכל למדוד במדויק את היעילות ב-Nanoscale?BuildFLT:1: הקושי של מדידת טמפרטורה וזרימת חום במכשירים ננומטריים מוביל לאי-ודאות רבה.טכניקות מטרולוגיות חדשות, כגון סריקת מיקרוסקופיה תרמית ו-Fium therm, מפותחות כדי לספק את הדיוק הדרוש.
(FLT:0) מה התפקיד של אי-לינאריות והובלת אי-קוויקליום (IQ)?(R.E.ve: בסקאלות קטנות, מערכות הן לעתים קרובות רחוק ממאזן, ויחסים ליניאריים קלאסיים לא יכולים להחזיק.הבנת משטר התחבורה הלא-לנארי המלא יכול לחשוף דרכים חדשות לעקוף את הגבולות המסורתיים.

החוקרים חוקרים באופן פעיל את השאלות הללו, עם צוותים בין-תחומיים המשתרעים על פיסיקה של החומר, MEMS הנדסה ותרמודינמיקה.המטרה הסופית היא לעצב מערכות כוח בקנה מידה מיקרו-ממדיות שמתקרבות לגבולות התרמודינמיקה היסודיים שנקבעו על ידי הטבע, ומאפשרות טכנולוגיות חדשות חזקות הן קומפקטיות ויעילות.

מסקנה

הפחתת הגבולות התרמודינמיקה של מערכות כוח זעירות ומיקרו-ממדיות מגלה משחק מורכב בין חוקי קנה מידה קלאסית, אפקטים קוונטיים, תכונות חומריות, ומגבלות הנדסיות מעשיות. בעוד יעילות הקרנום האידיאלית נותרה מערכת עליונה, מערכות אמיתיות בקנה מידה קטן ניצבות בפני אתגרים תלולים מפירוק חום, דור אנטרופי, ועיוותים ממריצים את החדשנות בחומרים, ארכיטקטורת, ומודל תרמודינמיקה יהיה צורך לדחוף את הגבולות האלה: