GreenTech-BG

Българският сайт за зелени технологии

Физиците свиха топлинните машини със 7 порядъка

January 25, 2010

Топлинните машини са основата на съвременните транспортни средства, но са като правило огромни. Но ето че физиците успяха да направят миниатюрна версия.

Огромна част от двигателите, които задвижват самолети, влакове и автомобили са всъщност топлинни машини. Те използват бързото разширяване на сгорещени газове, което се преобразува в движение. Тези двигатели са много важна част от съвременния начин на живот. Но опитите да бъдат смалени досега винаги завършваха с неуспех. Но вече не – най-малката топлинна машина има обем от едва 0,5 кубични микрометра, според съобщението на Peter Steeneken и неговите колеги от NXP Semiconductors в Холандия.

Какво представлява миниатюрната топлинна машина – една пиезоелектрична пластина, която се свива и разширява при прилагането на променлив ток. При свиването и разширяването на пластината обаче се променя и нейното съпротивление, а оттам и съпротивителната топлина, която тя генерира. При едновременно пропускане и на прав ток през пластината тя се загрява и охлажда. Това охлаждане и загряване също е причина за разширяване и свиване на пластината.

Между пиезоелектричното и термичното свиване и разширяване има известно фазово изместване. Така че ако се избере подходящата задвижваща честота, е възможно да се създаде резонансен ефект, при което механичното изместване на пластината да се усили.

Точно това е режимът, при който пластината работи като топлинна машина, която може да върши работа. Steeneken и неговият екип са тествали идеята, както и са успели да демонстрират, че обръщането на термодинамичния цикъл може да превърне топлинната машина в топлинна помпа или хладилник.

Разбира се, има други миниатюрни охлаждащи инсталации, работещи чрез Peltier effect, но новият тип има важно предимство, защото тук за разлика Peltier effect-а посоката на термичния ток не зависи от посоката на електрическия.

Вероятно охлаждането ще бъде първото практическо приложение на новите миниатюрни термични машини, които ще намерят приложение при охлаждане на микрочипове, а това съвсем не е за пренебрегване.

Бъдещето им като мотори е доста по-неясно. И остава въпросът за тяхната ефективност. Днешните микроскопични топлинни машини са доста по-ефективни от биологичните. Но според Steneeken „остава да се види дали те могат да ги конкурират на микрониво.”  Независимо от всичко, тази технология заслужава да бъде държана под око и в бъдеще.

По материали от: technology review

Био на автора: Севдалина Пеева:
Публикувам в Greentech-BG от февруари 2008 с фокус зелени технологии и иновативни решения, които ще помогнат да живеем в един по-чист свят.
Теми: изобретения, иновации

  1. Марин Ивановски
    28 Jan 10
    11:44 am

    Приемам липсата на коментари, че не съм единственият, който се чувства тъп от прочита на тази статия. Единственото разбираемо за мен нещо е ефекта на Пелтиер. Очевидно трябва да се образовам повече.

  2. Joro
    06 Feb 10
    4:24 pm

    Ако Пелтие ефектът ти е разбираем, дотлкова,че да го разграничиш в метали и полупроводници, познаваш пиезо ефектите – разбирането не би трябвало да е проблем. А, да Жокер – тук са два пиезоефекта – пиезоелектричен и пиезорезистивен. Ще си ги намериш. Още един Жокер – разглеждай нещото като цяло. Свързано е електрически, топлинно и механично. Тоест сандвичът е направен от един материал-Силиций, чрез легиране и окисление за да добие различни свойства, и изрязан по подходящ начин чрез ецване.
    Последен жокер – нещото не е съвсем топлинна машина – награването което го движи идва от електронагревател, който всъщност е пиезорезистивен полупроводник. Тоест постоянният ток който му се пуска, увеличава интензитета на осцилациите (трептенията). Съответно не е и съвсем топлинна помпа докато не се докаже, че преходът в по-ниско съпротивление (каза че ти е ясен Пелтие) ще предизвика отвеждане на топлина (топлината ще се превърне във вътрешна енетгия на токовите носители (електрони и дупки).
    Почнах от втората или трета фаза, скицата малко заблуждава, но аз само подсказвам. Пълното обяснение иска още толко писане, а е събота 🙂

  3. George Kanev
    19 May 10
    12:16 pm

    Жоро, обяснението е по-тривиално…търси се фазова разлика между цикъла на променливотоковото механично свиване и разширение на пластината и постоянотоковото топлинно свиване и разширение на пластината (термично разширяване и свиване) така че да се получи устойчево циклично движение на пластината, подобно на пъстъпателното движение на буталото в един ДВГ.

  4. Joro
    19 May 10
    9:31 pm

    О-хо, Адаш, радвам се, че „намина“. Да,точно.
    И аналогията с двигателя е точна, постоянният ток е горивото а пиезорезистивният слой + кристала -> цилиндъра.
    =============================
    Обаче нека се доизкажа по сложния начин както си знам
    Чисто теоретично (без да намесваме пиезоелектрическата част дето дори я няма на скиците) пускайки постоянен ток, нещото трябва да затрепти.
    Как? Протичайки токът загрява пиезорезистиен слой, топлинанта раширява кристала в-ху който е слоят, следователно и той се разширява (условно!!!), в следствие на което съпротивлението му пада, джауловата топлина престава да се генерира, кристалът се свива и така безброй пъти докато му се подава ток. Имаме генератор на трептения. Но иначе прилича на… Стартер на луминисцентна лампа (ако трябва ще го обясняваме после), но с милиони пъти по-висока честота.
    Защо казах чисто теоретично? На практика това няма да затрепти без да му се помогне оттвън, чрез пиезочастта и променлив ток (или чрез външно „залюляване“), за стартиране на процеса. На практика – вкарвате постоянен ток и променлив с някаква честота а получаваме механични трептения. Трептенията са с еднаква честота и по-голяма енергия от тези на променливия ток, тоест част от енергията на постоянния ток се е превърнала в енергия на трептенията. Тоест имаме усилвател натрептения + обратна връзка (реализирана от пиезорезистивния слой) = генератор. Тоест топлинен двигател.
    Това беше простото.

    Би следвало обаче в режим на топлинна помпа, енергията да идва отвън (от външното движение), по точно от променливия ток.

    Адаш
    Въпрос:
    На какъв ефект се основава охлаждането?

    Допускам (мое мнение) че при преход в по-ниско съпротивление пиезорезистивният слой поглъща топлина.

    Някакъв механокалориен ефект..?

  5. George Kanev
    21 May 10
    3:33 pm

    Адаш, просто трябва да продължим с аналогията с „буталото и основния газов закон: налягането по обема върху температурата е равно на газовата константа…в случая обемното разширяване и свиване на кристала, предизвикано от комбинацията от променлив и постоянен ток, с съответната фазова разлика, става при постоянно налягане, защото налягането се предизвиква, в случая от електричните товари: електрони и дупки, следователно трябва да се изменя температурата за да се запази газовата константа, т.е. когато кристала се разширява – поглъща топлина и обратно…остава сдамо да се насочи топлинния поток, за да заработи кристала като двигател за премествоне на топлина…..Разбира се ти си прав че остават много въпросителни в начина по който е дадена принципната схема на тази мини машина…

Добавете коментар

XHTML: You can use these tags: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>