研究人员开发出一种"微型热机"，在微观层面实现了高效率和高功率，从而挑战了卡诺极限。这种发动机通过激光束引导和电场操纵单个胶体粒子运行，效率接近卡诺极限的 95%。这一进展推翻了人们长期以来的看法，即由于功率-效率的权衡，高功率和高效率是相互排斥的。

长期以来，设计既能产生最大功率又能保持最高效率的热机一直是物理学和工程学领域的重大挑战。实用热机的效率受到理论极限的限制，即所谓的卡诺极限，该极限为多少热量可以转化为有用功设定了上限。

印度科学研究所（IISc）和尼赫鲁高级科学研究中心（JNCASR）的研究人员突破性地设计出一种新型"微型热机"，在实验室规模上克服了这一限制。这项研究最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

通讯作者、IISc 物理系国家科学讲座教授、印度政府首席科学顾问 Ajay K Sood 说："直到今天，我们还认为这是不可能的，但我们已经证明这是可能的：同时实现高效率和高功率。"

了解功率-效率权衡

Heat发动机能将热量转化为功，例如将活塞向某个方向移动。法国物理学家萨迪-卡诺（Sadi Carnot）于1824年提出了这一观点。

Ajay Sood 在 IISc 实验室的光学镊子装置。插图（左至右）： Sudeesh Krishnamurthy、Rajesh Ganapathy 和 Ajay Sood。资料来源：Sudeesh Krishnamurthy

理论上，只有当这一过程发生得极其缓慢时才有可能实现，但这也意味着功率输出将为零，从而使发动机实际上毫无用处。这就是所谓的功率-效率权衡。

微型热力发动机的进展

"自 20 世纪 70 年代以来，人们一直在尝试解决功率-效率权衡问题。本世纪初，研究人员探索了微型系统来克服这一挑战。有趣的是，2017 年，一篇论文声称不可能解决这一热力学难题。"IISc 物理系前博士生、本研究第一作者 Sudeesh Krishnamurthy 说。

在目前的研究中，研究小组在微米尺度上模拟了传统热机的功能。他们没有使用气体和燃料的混合物，而是使用了一个微小的凝胶状胶体珠，并用激光束引导其运动，这与宏观发动机中活塞的工作原理类似。

JNCASR教授、另一位作者Rajesh Ganapathy说："我们独特的微尺度发动机只需一个粒子就能运转。他补充说，发动机的尺寸非常小，约为一根头发宽度的 1/100。"

向高效率和高功率迈进

研究小组还利用快速变化的电场使发动机在两种状态之间循环。在这些条件下，他们发现散失的废热急剧减少，使效率接近卡诺规定极限的 95%。

"我们的成果是通过引入电场缩短了热量散发时间。热量散发时间的缩短使发动机能够高效运行，同时即使在高速运行时也能输出较大的功率，"Krishnamurthy 说。

此前，研究小组设计了一种大功率发动机，利用活细菌推动粒子并为系统提供动力。这次，研究人员用电场取代了细菌，使粒子在胶体介质中移动的效率更高，并提高了系统的耐用性。

实验结果表明，在某些条件下，可以高效率地实现高功率。这种进步可能会为未来更节能的设备铺平道路。

索德强调说："如果人们能从这里得到启示，并尝试如何对这种微型发动机进行实际诠释，那就是故事的下一部分。我们打开了一扇门，在以前的研究中，由于卡诺设定的热力学限制，科学家们几乎放弃了打开这扇门"。