شکست تقارن وارونی‌زمان در یک ابزار ترمودینامیکی، کارآیی آن‌را از طریق غیرمنتظرانه‌ای تحت تأثیر قرار می دهد.

موتورهای ترمودینامیکی انرژی را به کار مفید تبدیل می‌کنند. در سال ۱۸۲۴ سعدی کارنو نشان داد در سامانه ساده‌ای با چرخه ترمودینامیکی برگشت‌پذیر، نسبت گرمای استفاده‌شده و هدررفته باید کمتر از نسبت دمای مطلق منابع سرد و گرم باشد. این حد کارنو در واقع بیانی از قانون دوم ترمودینامیک است.

آگاهی از بازدهی ایده‌آل موتورها و قطعات دیگر به ما کمک می‌کند تا مزایای فناوری‌های جدید را دریابیم، چراکه به خاطر چالش‌های پیش‌رو، منابع انرژی اهمیت فراوان دارند و در سطح نظری نیز به ما کمک می‌کند تا ایده‌های بنیادی همچون ارتباط بین کار یک موتور و اطلاعات به‌دست‌آمده/ازدست‌داده را بفهمیم.

کی برندنر (Kay Brandner) از دانشگاه اشتوتگارت و همکارانش، بازدهی یک قطعه گرماالکتریکی ساده را در فیزیکال ریویو لترز گزارش می‌کنند که گرما را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند (شکل زیر). آن‌ها نشان می‌دهند که وقتی قطعه در میدان مغناطیسی خارجی عمل می‌کند – این شرایط تقارن وارونی زمان حرکت الکترون‌ها را می‌شکند – بازدهی به شکل قابل‌توجهی کمتر از پیش‌بینی‌هاست. علاوه بر لزوم این‌که انتروپی باید بزرگتر یا مساوی صفر باشد، آن‌ها کران پایین بازدهی را ناشی از پایستگی بار الکتریکی می‌دانند – نکته‌ای که در مطالعات قبلی از آن غفلت شده‌ بود.

این قطعه دارای سه پایانه ساده است که در آن یک رسانا در تماس گرمایی یا الکتریکی با مخزن دما و بار است (در شکل فوق، محفظه داغ‌تر قرمز و خنک‌تر آبی است). پایانه سوم یک قطعه (در شکل به رنگ زرد) است که به طور متوسط، گرما یا ذره‌ای(باری) با رسانا مبادله نمی‌کند. برندنر و همکارانش نشان می‌دهند که اعمال میدان مغناطیسی می‌تواند موجب بهبود بازدهی قطعه گردد.

این قطعه با چرخه کانو دو تفاوت عمده دارد. اول اینکه چرخه کارنو را به شکل ماکروسکوپی برگشت‌پذیر می‌دانیم، بنابراین بسیار کند است و انتروپی تولید نمی‌کند. اما برندنر و همکارانش مفهوم برگشت‌پذیری را در مقیاس میکروسکوپی در نظر گرفتند یعنی تمام مسیرهای الکترون‌ها در این قطعه گرماالکتریکی را بررسی کردند. همچنین برخلاف چرخه کارنو، این دستگاه در حالت پایای غیرتعادلی کار می‌کند و جریان گرمایی را به جریان الکتریکی با ولتاژ متناهی تبدیل می‌نماید.

نتایج این مطالعه می‌تواند امیدبخش ساخت موتورهای گرمایی یا یخچال‌های کوچک‌مقیاس باشد. همچنین سوال مهم دیگری را پیش می‌آورد: آیا در مدل‌های انتقالی عمومی نیز با برهمکنش‌های قدرتمند ذره-ذره، حد مشابهی برای بازدهی وجود دارد؟

منبع: Revisiting Thermodynamic Efficiency

مرجع: Strong Bounds on Onsager Coefficients and Efficiency for Three-Terminal Thermoelectric Transport in a Magnetic Field