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作者 jackliao1990 (j)
標題 [新聞] 研究員提出超越經典熱力學極限的熱機
時間 Thu Aug 28 10:28:10 2025


1.媒體來源:
外媒Phys.org

2.記者署名:
Tejasri Gururaj

3.完整新聞標題:
Researchers propose heat engine that surpasses classical thermodynamic limits

4.完整新聞內文:

《物理評論快報》（Physical Review Letters, PRL）發表的一項研究詳細介紹了一種被
研究人員稱為“賭博卡諾引擎”的熱機，據報導該引擎可達到100%的效率，同時提升功率
輸出。


研究人員提出了一種反饋控制熱機，該熱機在微觀尺度上策略性地利用熱波動，為奈米尺
度設備的能量收集開闢了新途徑。

這項由Abdus Salam國際理論物理中心Édgar Roldán博士領導的研究，挑戰兩個世紀以來
對熱力學的理解，提出了一種超越曾被認為物理學中不可逾越的卡諾效率極限的方法。

Roldán在接受Phys.org採訪時表示：“我一直對引擎如何運作感到著迷，無論是汽車引
擎，還是更精密的人工機器，如太陽能電池，或自然界的細胞和生物體。”這是他進行這
項研究的動機。


策略性賭博

標準熱機，包括廣為人知的卡諾引擎，受卡諾效率上限的限制：η = 1 – (Tc/Th)，其
中Tc和Th分別表示冷熱儲熱器的溫度。

這一由Sadi Carnot於1824年確立的極限，兩個世紀以來被認為是絕對的。在經典熱力學
中，超越這一極限將違反熱力學第二定律。

賭博卡諾引擎（GCE）採用了源自博弈論並應用於熱力學的賭博策略。該系統利用一個外
部控制器或“妖”，源自馬克士威著名的思想實驗，根據特定標準實施策略性措施。

Roldán解釋道:"'賭博'一詞源自此前在2021年發表於PRL的論文'賭博妖的熱力學'。”

“可以將其類比為賭博，例如在二十一點中，玩家根據手中的牌選擇是否參與某輪，並遵
循特定標準。”

這一創新的核心在於引擎的等溫壓縮階段。

在此階段，粒子通常會隨陷阱剛度的緩慢增加而逐漸壓縮，這過程需要大量的工作輸入。

然而，妖會通過高速雷射干涉法持續監控粒子的位置。


當粒子在預定截止時間前通過陷阱中心（位置x = 0）時，系統立即跳轉到最終壓縮狀態
，且無需耗費任何工作。

微觀效率的機制

該引擎使用一顆膠體粒子—懸浮於水中並由聚焦雷射束捕獲的微觀聚苯乙烯球。與具有活
塞和氣缸的宏觀引擎不同，這種奈米尺度系統通過調整粒子的限制勢來產生熱力學循環。

Roldán表示："GCE的理念是將熱機的能量提取關鍵機制（將熱浴的一部分熱量轉化為提取
的工作，如汽車引擎)與資訊機器的機制(在特定時刻應用反饋，如馬克士威妖)相結合。”

策略優勢來自於利用布朗運動，該運動使粒子在陷阱中心附近抖動。


由於周圍水中分子碰撞的熱能，粒子通常在平衡位置的數百奈米範圍內波動。

研究人員發現，這種賭博策略產生了一個隨循環時間呈指數下降的存活概率，意味著隨著
操作時間尺度的增加，效率會提升。在准靜態極限下，效率接近100%。

在基本極限內重新定義效率

聲稱超越卡諾效率需要在熱力學原理內謹慎解釋。Roldán強調，他們的定義與經典熱力
學一致，同時通過資訊處理揭示了新的可能性。

他澄清道：“我們使用了經典的效率定義，即每次循環提取的工作量除以每次循環的熱量
輸入，兩者均為多次運行的平均值。”

“我們展示了在GCE中，這一比例可以超過卡諾值，甚至達到1，相當於將輸入的熱量100%
轉化為提取的工作。”

區別在於考慮了資訊處理的成本。雖然熱-機械轉換可以超越經典極限，但當全面考慮時
，包括資訊獲取和處理在內的總能量預算仍遵循基本的熱力學約束。

Roldán指出：“如果在計算效率時考慮了每次循環中關於粒子位置資訊的擦除成本，我
們會得到一個尊重卡諾極限的替代效率定義。”

從理論到實驗室現實

研究人員使用了來自先前實驗研究的實際參數。

Roldán表示：“我們有信心我們的理論想法可以很快在實驗室中實現。我們所有的數值
結果都使用了來自我們之前研究中的實際實驗參數，該研究首次實現了用光學鑷子捕獲聚
苯乙烯球的卡諾引擎。”


主要的實驗挑戰包括高速位置檢測和快速反饋實施。研究表明，採樣頻率高於100千赫茲
至關重要；低於此閾值，由於檢測延遲導致無法實現最佳的零成本干預，性能會顯著下降
。

Roldán解釋道：“我們的理念以及隨機熱力學新興領域中的類似理念，目前是概念驗證
，未來可能啟發高效奈米機器的實際設計，挑戰經典熱力學極限。”

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6.備註:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/w8cx-xx1z

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※ 作者: jackliao1990 2025-08-28 10:28:10
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※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Gossiping/M.1756348093.A.533.html
推 ZakkWylde: 這研究有點瑕疵但是推文空間太短1F 49.216.225.132 台灣 08/28 10:29
→ bill403777: 我國小科展做過相關實踐了2F 42.73.140.63 台灣 08/28 10:29
推 nineflower: 用這個還要賭博？3F 27.51.121.40 台灣 08/28 10:29
推 sammy98: 所有東西只要壓縮到臨界值就會爆炸 合理這引擎 燃料只要用水 水壓縮到臨界值 不要說驅動引擎了 整個城市都會消失4F 223.139.62.25 台灣 08/28 10:30
推 Gwaewluin: 嗯，跟我想得一樣7F 114.137.244.152 台灣 08/28 10:32

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