[爆卦] 科學家提出突破熱力學限制的生化熱機

[jackliao1990 (j)]

https://arxiv.org/pdf/2312.02323

卡諾熱機透過在高低溫之間運作將熱能轉化為機械功，熱機從高溫庫獲取熱量，將部分熱
能轉為有用功並將餘熱釋放到低溫庫。此週期稱為卡諾循環。理想情況下此過程是可逆的
使得卡諾熱機達到最大理論效率。然而現實中熱機並非完全可逆，總會損失部分能量，因
此實際熱機效率總低於同條件下的卡諾熱機，符合熱力學第二定律。建造接近卡諾效率的
熱機的挑戰在於，當熱機效率接近卡諾效率時，其工作所需時間會趨於無限長，導致功率
輸出極低。

工業革命以來熱機一直是人類文明發展的重要技術。然而在追求卡諾效率同時往往需要犧
牲功率輸出。一個最著名的限制是1/2通用性原則，該原則指出，在線性響應範圍運行的
熱機的最大功率效率最多只能達到卡諾效率一半。

北京師範大學的馬宇涵和德勒斯登系統生物學中心的梁士翎發表於物理評論快報的論文認
為:理論上可以設計一種熱機，在達到最大功率輸出同時接近卡諾效率，顛覆了長久以來
關於熱力學的假設。

馬宇涵："這項合作起源於2022年底我與梁士翎的討論。當時他發現能級簡併可以提升熱
機在最大功率輸出時的效率。"

梁士翎："我從之前研究的高分子折疊模型中汲取靈感，開發了一個最小化熱機模型。令
人驚訝的是，該模型顯示出突破傳統熱機效率上限的潛力。這一意外發現促使我與馬教授
展開合作。"

論文提出的解決方案是利用具有簡併能級系統，每個能量態都有不同微觀狀態或組態，但
都對應相同能量。該模型包含兩個能級：低能量狀態和高能量狀態（具有更高簡併度，可
容納更多分子組態），能級間轉變透過ATP水解驅動反應(發生在低溫時，能將系統推向高
能量狀態)和自發轉變(發生在高溫時，由於高能態具有更多可用組態，因此更可能發生)
。隨著系統規模增大（高能態簡併度上升），這種轉變會類似一階相變，並且能量損失最
小。透過建立包含此特性的最小模型，他們能夠展示其如何打破傳統的熱力學界限，並揭
示集體效應背後機制。

結果顯示當系統規模趨近無窮大時，該生化熱機能夠同時達到最大功率輸出與卡諾效率。
其功率輸出與系統規模成線性關係，效率則趨近卡諾極限。證明用高簡併能級系統可顯著
提升熱機性能。

"這與卡諾熱機的理論影響類似。儘管卡諾熱機只是理想模型，但它已經指導了實際熱機
的發展數百年。即使我們無法完全實現完美的能級簡併，我們現在知道，提高簡併度可以
成為開發更高效熱機的有效策略。"

該研究違反了傳統的熱機通用性法則。研究表明在極高簡併度極限下，通用性法則可能失
效。這顯示當系統內在物理量趨於發散時，某些傳統熱力學約束可能需要重新檢視。該生
化熱機能夠合成ATP，因此與生物系統相關。下一步是尋找具有這種特性的實際熱機如生
物聚合物(其非折疊態具有高簡併度)。

https://imgur.com/a8DUj4T
左圖為雙態熱機，其中高能量狀態能夠容納的微觀組態遠多於低能量狀態。
右圖為功率與效率的權衡曲線，說明當能級簡併差異增加時，該熱機能夠在維持最大功率
輸出的同時趨近卡諾效率。

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※ 編輯: jackliao1990 (111.253.175.146 臺灣), 02/01/2025 10:13:12
推 StylishTrade: 真假
推 simon0529: 某些人準備崩潰說 中國不可信
推 guhong: 嗯嗯
噓 t127147157: 肛
→ WolfTeacher: 放假前忘了發表……被搶先了
推 Dinenger: 跟我想得差不多 只是我沒經費證實而已
推 hank81177: 青鳥崩潰
推 JCC: 我不懂熱力學 但我懂中國人
推 basara30: 卡提諾不只拍狂新聞，還會做熱機喔
推 exceedMyself: 還是理論
推 jeffguoft: 卡提諾論壇
→ gx8759121: 不就理論上有機會，實際上做不到
推 matatabi: 能回答64嗎？不行就是廢物熱機
推 tonyxfg: 目前只是理論，而且看起來也只是更接近
→ tonyxfg: 極限，而非突破極限
推 inunoya: 推 我不懂熱力學 但我懂中國人
噓 SALEENS7LM: 簡單來說又是畫大餅的屁話
推 mystage: 這就我之前喝酒時說的啊
→ adasin: 喔 你做出來在說
→ olozil: 記者母親又遭科學家...  (X
推 callhek: 我用deepseek寫的
→ GABA: 又要被中天台吹捧了
推 arrenwu: 我看不懂哪裡突破熱力學限制了
推 turndown4wat: 股號?
推 qxpbyd: 理論 做出來再說
推 SRNOB: 我三年前就說了 只是推文寫不下
→ error405: 中國人改寫熱力學 對阿
推 g1254501: 未看先猜青鳥說中國一定造假
推 seraphic298: 這我大學修熱力時就算出來了
→ mini186: 不可能
推 QooSnow: （不浪費能量！）（環保天才！）
噓 RachelMcAdam: 哪裡突破熱力學限制==
推 Yahweh: 卡諾極限依舊是卡諾極限 只是說提高低溫態
推 jim543000: carnot cycle是一個假設的理想循環
→ Yahweh: 與高溫態的 degenerate states 數量的差異
→ Yahweh: 可以提高熱機的輸出功率
→ jim543000: 理想循環上面建構的理想循環是什麼
→ Yahweh: 空間換取時間的意思 系統趨近無限大去換
→ Yahweh: 時間趨近無限大
推 firose: 鳥又崩
推 angus8147: 沒突破吧 只是讓理論轉換的效率變高 本
→ angus8147: 來只有50%
推 xxxg00w0: 台灣的基礎科學相關科系培養：房仲 保險
→ xxxg00w0:  咖啡店？
推 jim543000: 很快這白癡理論就會被打臉 肯定有少算
→ jim543000: 了什麼
推 Linyingsheng: 假的
→ Yahweh: 它講的是轉換功率的提升 不是轉換效率的提
→ Yahweh: 升
→ Yahweh: 理論最大轉換效率 第二定律就是綁死在那
噓 kurtsgm: 喔
推 HaHadog: 當規模接近無窮大可以接近理論極限 翻譯
→ HaHadog: ：轉換率不夠 燒錢代替
→ zeyoshi: 到底是突破熱力學 還是傳統熱機
→ stratuss: 我也是這麼想
推 venomsoul: 我是真的看完而且知道他在講三小，但
→ venomsoul: 就是做不到的東西而已
推 milkBK: 現在是怎樣 物理學不存在嗎
噓 as540: 物理系看了直流淚
→ WSY000000000: 唉！
推 tlsg2: 用講的比較快，做出來再說阿
→ Jimmywin: 逆熵要出現了
推 child1991: 這不算是突破熱力學限制吧 突破限制就
→ child1991: 是永動機了 他這個是新的理論模型更接
→ child1991: 近卡諾循環
推 DWR: 前提是接近無限大 就跟理論上我能一個人撐起
→ DWR: 地球一樣
噓 SaintsRow: 熱力學不可能突破
推 neo5277: 科技突破年
推 gamer: 只要說能突破熱力學第二定律的直接當偽科學
→ azcooper: 永動機
→ gamer: 至於無限趨近卡諾引擎，如果沒有形成足夠的
→ gamer: 輸出功，效率高根本沒什麼屁用
→ gamer: 傳統熱機在理想的控制環境（超低溫加上絕熱
噓 wadechen666: 又在豪小==
→ gamer: 環境）也能做出接近的效率，但根本沒有工業
→ gamer: 價值
→ nmTKDS: 不用想也知道不可能，要是真的打破卡諾先
→ nmTKDS: 生的理論等於違背熱力第二定律欸
噓 kuochuwon: 還好有GPT幫我簡單摘要，標題太聳動了
→ kuochuwon: https://meee.com.tw/CL4OZTI
→ kuochuwon: https://i.meee.com.tw/CL4OZTI.jpg
推 WWIII: 人類要被ai當成電池了嗎
推 create8: 生物聚合物=人類？
推 wingthink: 他假設的生物聚合物找到再說吧……
推 Rootless: 我上次跟霍金也是這樣說
→ wayne121212: 「理論」
噓 simon9331: 應該是妓者沒看懂，隨便下個聳動標題
→ simon9331: 騙人。
噓 pentala: 馬的，跟豬國有關的都喜歡用垃圾標題
噓 noname912301: 妓者
推 asdf6630: 先觀望，期待驗證
推 huliaso: 卡提諾物理學創見
→ lsjean: 原Po到底學什麼的，STEM的文都發過
噓 jitaomef: 標題誤導
推 MultiCam: 理論上
推 orange0319: 幹 看不懂啦
噓 Irelia56: 突破熱力學？時光機就會出現了
→ adamyang2000: 騙錢 能量無中生有 我信啦
→ adamyang2000: 人類突破 絕對0度 是真的