Termodinamik, en saygıdeğer fiziksel teorilerden biridir. Carnot, Clausius, Gibbs, Helmholtz ve Boltzmann gibi 18. ve 19. yüzyıl fizikçileri, bunu, birçok bileşen parçacıktan oluşan makroskopik sistemlerin nasıl davrandığını, ısının bir sistemden diğerine nasıl taşındığını ve motorların nasıl çalıştığını ve ne verimlilikle.
Termodinamikten şu gibi yasalar alıyoruz: Sürekli hareket makineleri yok (% 100 veya daha fazla verime sahip veya termal dengede sıfır olmayan verime sahip makineler).
Bununla birlikte, mekanik yasalarının veya birçok alan teorisinin aksine, termodinamiğin her zaman hem katı hem de fiili yasaları içerdiği kabul edilmiştir. Birincil yasalar şunlardır:
Enerjinin korunumu, evrenimizin zaman öteleme simetrisinin bir sonucudur. Fizik kanunlarındaki tüm zamanlar sabit bir miktar kaydırılabilir. Bunu Emmy Noether teoreminden anlıyoruz. Enerjinin korunumunu hiçbir fiziksel yasa ihlal etmez.
İkinci yasa, fiziğin “fiili” yasasıdır. Bu terimi, başkalarının "istatistiksel" kelimesini kullanabileceği yerlerde kullanıyorum. Ancak bunun istatistiksel olduğunu söylemek, sosyoloji gibi diğer alanlara kıyasla yetersiz kalıyor. Yaklaşık 25 yıl öncesine kadar, 2. yasanın ihlalinin neredeyse imkansız olduğu düşünülüyordu.
Carnot'un motor verimliliği teoremi bu kanunlardan türemiştir. Teoreminin bir sonucu, eğer aynı sıcaklıkta (dengede) iki sisteminiz varsa, o zaman verim% 0'dır, hiçbir şey hareket etmez. Verimleri <% 100 olduğu için tüm sistemler bağlandığında termal olarak dengelendiği için, tüm motorlar çalışmıyor. Hiçbir vardır perpetuum mobil , hiçbir devamlı hareket makineleri .
Termodinamiğin 2. yasasıyla ilgili bir sorun, başka bir katı fizik yasasıyla çelişmesidir: tüm fiziksel süreçler zamanın tersine çevrilebilir olmasıdır. Bir parçacığın zamanda ileriye doğru herhangi bir yörüngesi, geldiği gibi zamanda geriye doğru hareket edebilir.
Öyleyse, neden 2. yasa gibi geri çevrilemez süreçlerin varlığını ima eden bir yasa var?
Fizikçiler, Evans ve ekibinin dalgalanma teoremi adı verilen potansiyel bir çözüm önerdiği 1993 yılına kadar onlarca yıl bu fikirle boğuştu. Dalgalanma teoremi, geri döndürülemez denilen süreçlerde bile tersinirliği kabul eden termodinamiğin 2. yasasına bir istisna sağlar.
Esasen, tüm söylediği, entropideki artışın daha uzun bir süre ile katlanarak daha olası hale geldiğidir. Bu nedenle, 2. yasa artık katı değildir, sadece katlanarak olasıdır. (Üstel bir olasılık dağılımı, 0 veya 1'e son derece hızlı bir şekilde gider ve sanal bir kesinlik gibi görünmesini sağlar.)
Mekanikle kanıtlanmış olan bu teorem, yeni bir bilimin kapısını açtı: stokastik termodinamik ve son yirmi yılda, her seferinde daha şaşırtıcı sonuçlarla deneysel olarak defalarca gösterildi.
Arkansas Üniversitesi'ndeki bir ekip tarafından bu ay yayınlanan en son gösteri, belki de en şaşırtıcı olanıdır: bir grafen tabakasının "düzlem dışı" termal hareketinden güç üretimi ( en ince grafit tabakası, yani karbon).
İlk bakışta, bu sürekli bir hareket makinesidir, arkasındaki teori sağlamdır. Temel fikir, herhangi bir sistemin çevresiyle entropiyi (bazen sadece ısı olarak adlandırılır) (belirli bir sıcaklıkta bir rezervuar olduğu için termal banyo olarak da adlandırılır) değiştirmesidir. Bir sistem ile banyosu arasındaki temas dengede iken, her iki yönde de enerji alışverişi eşit derecede olasıdır, sistemin geri kalanı dengeden uzak olabilir. Bu, kısa sürelerde, sistemlerin dengeye geldikçe rahatlayarak faydalı işler yapabileceği anlamına gelir.
Yine de, çok küçüklerse, birkaç ayrı parçacıktan oluşuyorlarsa asla mükemmel dengede kalmazlar. Bunun yerine, onları dengeden uzaklaştırabilecek rastgele dalgalanmalara maruz kalırlar. Mükemmel vakumda bile kuantum etkilerinden dalgalanmalar yaşayan grafende durum böyledir.
Araştırmanın yazarları, haber medyasında termal dalgalanmalardan güç elde edebileceklerini iddia ederken, enerjiyi depolayabileceklerini henüz gösteremediler. Bunun yerine, deneyleri onu bir direnç aracılığıyla ısı olarak dağıttı. Gerçek gücün bu şekilde elde edilip edilemeyeceğini zaman gösterecek. Doğa ana sonunda onu hak edecek; soru bundan önce yararlı bir şey yapılıp yapılamayacağıdır.
Bir sonraki deneylerinde enerjiyi küçük bir kapasitörde depolamayı planlıyorlar. Umut, enerjiyi kapasitörden serbest bırakarak daha sonra dağıtmak olacaktır.
Bunu düşünmenin bir yolu, gerçekten bir sürekli hareket makinesi yaratmadığınızdır. Bunun yerine, bir sistemin termodinamik ortalamasının (ortalama) etrafındaki varyanstan enerji çıkarıyorsunuz. Başka bir deyişle, bir dalgalanma onu uzaklaştırdıktan sonra bir sistemin dengeye daha hızlı dönmesine neden olarak faydalı işler yapılabilir.
Bununla birlikte, stokastik termodinamiğin arkasındaki bilim, Brownian hareketinden enerji toplamanın çok ötesine geçer. Temelde daha sofistike ve tutarlı bir termodinamik teorisidir; sistemlerin dengeye nasıl ulaştığını, içinde nasıl kaldıklarını, bundan nasıl çıkarılabileceklerini ve sistemler birçok ısı rezervuarına bağlandığında ne olacağını tam olarak hesaba katan bir teori. Grafenin termal rezervuarına ve bir devreye bağlanması durumunda olduğu gibi, bir yerine.
Stokastik termodinamik iki temel fikri birleştirir: klasik termodinamiğin temelini oluşturan sıradan istatistiksel mekanik ve motorlar ve kontrol sistemleri gibi denge dışı istatistiksel süreçleri anlamak için kritik olan Markov süreçleri.
Denge istatistiksel mekaniği zamanı görmezden gelirken, Markov süreçleri stokastik (deterministik yasadan ziyade rastgele bir yasaya uyan herhangi bir şey) süreçlerin zamanla nasıl değiştiğini temsil etmenin bir yoludur. İkisini birleştirerek, uzun zaman dilimleri boyunca durağan istatistiksel durumlara sahip olabilen (termal dengede olan) dinamik süreçlerin bir tanımına ulaşıyoruz, ancak kısa sürelerde dengeden sapma olasılığı sıfırdan farklıdır (ancak üssel olarak küçük). Bu, başka bir sistemde faydalı işler yapabilir.
Denge sistemlerinin Markov süreci tanımlamalarının temel özelliklerinden biri, ana denklem denen bir şeyden türetilen ayrıntılı denge olarak adlandırılır . Ana denklem, stokastik bir sistemin bir durumdan diğerine nasıl geçiş yaptığını temsil eder. Ayrıntılı denge, bir sistemin m ve m 'iki durumu varsa, m'den m'ye, m'den m'ye, yani bir yoldan diğerine eşit derecede geçiş yapma olasılığının eşit olduğu fikridir. Bu temel bir denge ifadesidir.
Bir Markov işleminin işe yaraması için, kısa bir süre için ayrıntılı dengeyi ihlal etmesi gerekir. Ayrıntılı denge ihlalleri bir güç olarak kendini gösterir çünkü bir yönde diğerine bir devlet geçişi olasılığını arttırırlar. Bu fikir, denge dışı süreçler için temeldir, ancak şimdi bunun "denge" süreçleri için de geçerli olduğunu biliyoruz, çünkü gerçekte, tüm zaman ölçeklerinde denge diye bir şey yoktur, yani denge, ölçekle değişmez değildir.
Bu teori, Arkansas Üniversitesi ekibinin, Brownian hareketi altındaki bir grafen parçacığının güç üretebileceğini kanıtlamasına yardımcı oldu; bu, daha sonra AC'den iki DC akımına dönüştürmek ve bir dirençte dağıtmak için bir çift diyot aracılığıyla borulanır. Teori şudur: Brownian hareketi bunun gibi bir DC akımı oluşturabilirse, başka bir şeye, muhtemelen daha sonra bir mikroçipe veya küçük bir LED'e güç vermek gibi dağıtılabilir.
Nitekim bu, deneysel olarak mikroskobik bir “motorun” ilk görülmesi değildir. 2016'da bir İspanyol ekibi, termal dalgalanmaların termodinamiğin 2. yasasından sapmalara neden olduğu ve termal dengede bile iş yapılmasına izin veren bir Brownian motor araştırması yayınladı. Suya batırılmış tek bir polistiren parçacığını gözlemlediler ve bunun Carnot'un motor verimliliği yasasını nasıl ihlal edebileceğini gördüler (esas olarak termal dengede enerji çekerek).
Bundan, enerji üretmek için büyük nano ölçekli motor dizileri oluşturmak mümkün olabilir, ancak bu parçacıkları yakalamak için gereken güç ve harcama ürettiklerini aşabilir. Pasif bir tuzağa ihtiyaç vardır, grafen belki de parçacıklarının karbon molekülleri kafesinde hapsolmasıyla cevabı sunar. Bu gücü bir vakumda üretme yeteneği, aynı zamanda, bir vakumun kolayca mevcut olduğu uzay teknolojisine de uygulanabilir hale getirebilir. Bununla birlikte, pratik uygulamalar çok uzak olabilir. Deneyde üretilen güç miktarı pikovatta veya watt'ın trilyonda biri kadardır, bu nedenle bir sonraki iPhone'unuzun grafenden kendi gücünü üretme olasılığı çok düşüktür.
Evans, Denis J .; Cohen, EGD; Morriss, GP (1993). "Kararlı durumların kesilmesinde ikinci kanun ihlalleri olasılığı" Fiziksel İnceleme Mektupları . 71 (15)
Thibado, PM, vd. "Bağımsız grafenden dalgalanma kaynaklı akım." Fiziksel İnceleme E 102.4 (2020): 042101.
Martínez, Ignacio A., vd. "Brownian carnot motoru." Doğa fiziği 12.1 (2016): 67–70.
Albert Einstein'ın ilk karısı olan Mileva Maric, kocasının fizik alanındaki çığır açan çalışmasına yaptığı potansiyel katkılarla ilgili olarak uzun süredir spekülasyon ve tartışma konusu olmuştur. Görelilik ve kütle-enerji denkliği teorileriyle evren anlayışımızı sonsuza dek değiştiren Einstein, geniş çapta 20. yüzyılın en etkili bilim adamlarından biri olarak kabul edilirken, Maric'in çalışmalarındaki rolü genellikle göz ardı edildi veya küçümsendi.
Atalarımız güneş hakkında ne düşünüyorlardı? Bunun Dünya'dan 109 kat daha büyük ve gece gökyüzünde gördüğümüz küçük beyaz parıldayan noktalara benzeyen devasa bir alevli plazma küresi olduğunu kesinlikle bilmiyorlardı. Samanyolu'nu gördüklerinde ne düşündüler? Peki ya kuyruklu yıldızlar? Peki ya auroralar? Samanyolu bırakın meteor yağmurlarını ve auroraları, yeterince çılgın.
Bilim adamları, yeni bir altın nanoyapı türü kullanarak yüksek verimli anti-kanser ilaç testi için yeni bir 3B hücre kültürü tabanlı elektrik platformu tasarlar. Beyin kanseri, tedavi edilebilirliği zayıf olan en ölümcül kanser türlerinden biridir. Şimdi, Kore ve Çin'den bilim adamları, 3 boyutlu sferoid kanser hücrelerinin büyümesine ve ilaç tedavisi altında gerçek zamanlı izlenmesine izin veren altın nanoyapıları kullanarak, invazif olmayan ve tekrarlanabilir bir şekilde yeni bir yaklaşımı taçlandıran çok işlevli bir platform geliştirdiler. anti-kanser ilaç taraması için hızlı ve kesin bir yöntemle birlikte gerçekçi beyin tümörü modeli.
Şeker hastalarının düzenli olarak yaptırdığı yaygın kan testlerinden biri, kanlarındaki HbA1c düzeylerini ölçmektir. HbA1c, glikolize hemoglobin olarak bildiğimiz şeydir veya kandaki hemoglobin proteinleri kandaki serbest glikoz ile reaksiyona girmiştir? Fikir, bu HbA1c şeker-protein eşleniğinin vücutta moleküler oksijeni hareket ettirmede o kadar iyi olmadığıdır.
Geri bildirim ve sorularınız için Twitter üzerinden iletişime geçin. Bu ücretsiz bülteni her Cuma sabahı buraya tıklayarak alın.
Vücudumuzdaki kemikleri anlamak Sahneye çıkmadan önce size hiç biri “bacağınızı kırmanızı” söyledi mi? Açıkçası, anlamın gerçek olmadığını biliyoruz ve gerçekten iyi şanslar dileği. Ancak, vücudumuzdaki bir kemiği gerçekten kırdığımızda ne olur? Hasarı düzeltmek ve yaralı kemiği “yeni gibi” yapmak için meydana gelen kimyasal ve anatomik süreçler nelerdir? Vücudumuzla ilgili aynı sorularım vardı, çünkü kemikleri yeniden inşa etmeyi tipik bir fenomen ve özel bir şey olarak görmemiz özellikle büyüleyici.