搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

温库边界对布朗热机性能的影响

肖宇玲 何济洲 程海涛

引用本文:
Citation:

温库边界对布朗热机性能的影响

肖宇玲, 何济洲, 程海涛

Influence of the heat reservoir boundary on the performance of Brownian heat engine

Xiao Yu-Ling, He Ji-Zhou, Cheng Hai-Tao
PDF
导出引用
  • 研究了单势垒锯齿势中,布朗粒子在外力和空间周期温度场作用下构成的布朗热机的热力学性能. 考虑布朗粒子动能变化以及高、低温库之间热漏引起的热流. 用Smoluchowski 方程描述粒子在黏性介质中的动力学特性,推导出高、低温库的热流以及热机功率和效率的解析表达式. 通过数值计算分析势垒高度、外力和温库边界对热机性能的影响. 研究表明:由于动能变化和热漏引起的不可逆热流的存在,布朗热机为不可逆热机,热机的功率效率特性为一闭合的关系曲线;势垒边界与温库边界重合时,热机的功率达到最大值;通过改变温库边界的位置,可以在一定范围内提高热机的效率,但同时减小了热机的输出功率.
    In this paper we study the thermodynamic performance of a Brownian heat engine, which is driven by temperature difference. Brownian particles move in a periodic single-barrier sawtooth potential under the action of an external load force, and contact an alternating hot and cold reservoir. The kinetic energy change of the Brownian particles and the heat leak between hot and cold reservoir are considered simultaneously. The dynamics of the Brownian particle is governed by the Smoluchowski equation. The expressions for heat flow, power output and efficiency are derived analytically. The influences of the height of barrier, the external load force and the heat reservoir boundary on efficiency and power output are discussed by numerical calculation. It is shown that the Brownian heat engine is irreversible when the irreversible heat flow caused by the kinetic energy change and the heat leak exist. The curve of the power output versus the efficiency is a loop-shaped one. When the barrier boundary coincides with the heat reservoir boundary, the heat engine has a maximum power output. The efficiency of the heat engine is enhanced, but the power output is reduced when the heat reservoir boundary is changed.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11365015)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11365015).
    [1]

    Hanggi P, Marchesoni F 2009 Rev. Mod. Phys. 81 387

    [2]

    Astumian R D, Bier M 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1766

    [3]

    Parrondo J M R, Blanco J M, Cao F J 1998 Europhys. Lett. 43 248

    [4]

    Ambaye H, Kehr K W 1999 Physica A 267 111

    [5]

    Feynman R P, Leighton R B, Sands M 1963 The Feynman Lectures on Physics. (Vol. I) (Boston: Addison-Wesley) Reading 46.1

    [6]

    Bttiker M 1987 Z. Phys. B 68 161

    [7]

    van Kampen N G 1988 IBM J. Res. Dev. 32 107

    [8]

    Landauer R 1988 J. Stat. Phys. 53 233

    [9]

    van den Broeck C, Kawai R 2006 Phys. Rev. Lett. 96 210601

    [10]

    Li N, Zhan F, Hanggi P, Li B 2009 Phys. Rev. E 80 011125

    [11]

    Li N, Hanggi P, Li B 2008 Europhys. Lett. 84 40009

    [12]

    Asfaw M, Bekele M 2004 Eur. Phys. J. B 38 457

    [13]

    Asfaw M, Bekele M 2005 Phys. Rev. E 72 056109

    [14]

    Asfaw M, Bekele M 2007 Physica A 384 346

    [15]

    Derényi I, Astumian R D 1999 Phys. Rev. E 59 R6219

    [16]

    Zhang Y P, He J Z, He X 2010 Commun. Theor. Phys. 54 857

    [17]

    Zhang Y P, He J Z, Ouyang H 2010 Phys. Scr. 82 055005

    [18]

    Zhang Y P, He J Z 2010 Chin. Phys. Lett. 27 090502

    [19]

    Luo X G, Liu N, He J Z 2013 Phys. Rev. E 87 022139

    [20]

    Hondou T, Sekimoto K 2000 Phys. Rev. E 62 6021

    [21]

    Ai B Q, Xie H Z, Wen D H 2005 Eur. Phys. J. B 48 101

    [22]

    Ai B Q, Wang L Q, Liu L G 2006 Phys. Lett. A 352 286

    [23]

    Ai B Q, Wang X J, Liu G T 2003 Phys. Rev. E 68 061105

    [24]

    Zhang Y, Lin B H, Chen J C 2006 Eur. Phys. J. B 53 481

    [25]

    Lin B H, Chen J C 2009 J. Phys. A: Math. Theor. 42 075006

    [26]

    Ding Z M, Chen L G, Sun F R 2010 Braz. J. Phys. 40 141

    [27]

    Ding Z M, Chen L G, Sun F R 2010 Sci. China G: Phys. Mech. Astron. 40 16 (in Chiese) [丁泽民, 陈林根, 孙丰瑞 2010 中国科学 G辑: 物理学 力学 天文学 40 16]

    [28]

    Asfaw M 2008 Eur. Phys. J. B 65 109

    [29]

    Asfaw M 2014 Phys. Rev. E 89 012143

    [30]

    Cheng H T, He J Z, Xiao Y L 2012 Acta Phys. Sin. 61 010502 (in Chinese) [程海涛, 何济洲, 肖宇玲 2012 物理学报 61 010502]

    [31]

    Sancho J M, Miguel M S, Drr D 1982 J. Stat. Phys. 28 291

    [32]

    Gao T F, Zhang Y, Chen J C 2009 Chin. Phys. B 18 3279

    [33]

    Gordon J M, Huleihil M 1992 J. Appl. Phys. 72 829

  • [1]

    Hanggi P, Marchesoni F 2009 Rev. Mod. Phys. 81 387

    [2]

    Astumian R D, Bier M 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1766

    [3]

    Parrondo J M R, Blanco J M, Cao F J 1998 Europhys. Lett. 43 248

    [4]

    Ambaye H, Kehr K W 1999 Physica A 267 111

    [5]

    Feynman R P, Leighton R B, Sands M 1963 The Feynman Lectures on Physics. (Vol. I) (Boston: Addison-Wesley) Reading 46.1

    [6]

    Bttiker M 1987 Z. Phys. B 68 161

    [7]

    van Kampen N G 1988 IBM J. Res. Dev. 32 107

    [8]

    Landauer R 1988 J. Stat. Phys. 53 233

    [9]

    van den Broeck C, Kawai R 2006 Phys. Rev. Lett. 96 210601

    [10]

    Li N, Zhan F, Hanggi P, Li B 2009 Phys. Rev. E 80 011125

    [11]

    Li N, Hanggi P, Li B 2008 Europhys. Lett. 84 40009

    [12]

    Asfaw M, Bekele M 2004 Eur. Phys. J. B 38 457

    [13]

    Asfaw M, Bekele M 2005 Phys. Rev. E 72 056109

    [14]

    Asfaw M, Bekele M 2007 Physica A 384 346

    [15]

    Derényi I, Astumian R D 1999 Phys. Rev. E 59 R6219

    [16]

    Zhang Y P, He J Z, He X 2010 Commun. Theor. Phys. 54 857

    [17]

    Zhang Y P, He J Z, Ouyang H 2010 Phys. Scr. 82 055005

    [18]

    Zhang Y P, He J Z 2010 Chin. Phys. Lett. 27 090502

    [19]

    Luo X G, Liu N, He J Z 2013 Phys. Rev. E 87 022139

    [20]

    Hondou T, Sekimoto K 2000 Phys. Rev. E 62 6021

    [21]

    Ai B Q, Xie H Z, Wen D H 2005 Eur. Phys. J. B 48 101

    [22]

    Ai B Q, Wang L Q, Liu L G 2006 Phys. Lett. A 352 286

    [23]

    Ai B Q, Wang X J, Liu G T 2003 Phys. Rev. E 68 061105

    [24]

    Zhang Y, Lin B H, Chen J C 2006 Eur. Phys. J. B 53 481

    [25]

    Lin B H, Chen J C 2009 J. Phys. A: Math. Theor. 42 075006

    [26]

    Ding Z M, Chen L G, Sun F R 2010 Braz. J. Phys. 40 141

    [27]

    Ding Z M, Chen L G, Sun F R 2010 Sci. China G: Phys. Mech. Astron. 40 16 (in Chiese) [丁泽民, 陈林根, 孙丰瑞 2010 中国科学 G辑: 物理学 力学 天文学 40 16]

    [28]

    Asfaw M 2008 Eur. Phys. J. B 65 109

    [29]

    Asfaw M 2014 Phys. Rev. E 89 012143

    [30]

    Cheng H T, He J Z, Xiao Y L 2012 Acta Phys. Sin. 61 010502 (in Chinese) [程海涛, 何济洲, 肖宇玲 2012 物理学报 61 010502]

    [31]

    Sancho J M, Miguel M S, Drr D 1982 J. Stat. Phys. 28 291

    [32]

    Gao T F, Zhang Y, Chen J C 2009 Chin. Phys. B 18 3279

    [33]

    Gordon J M, Huleihil M 1992 J. Appl. Phys. 72 829

  • [1] 廖天军, 吕贻祥. 热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测. 物理学报, 2020, 69(5): 057202. doi: 10.7498/aps.69.20191835
    [2] 张荣, 卢灿灿, 李倩文, 刘伟, 白龙. 线性不可逆热力学框架下一个无限尺寸热源而有限尺寸冷源的制冷机的性能分析. 物理学报, 2018, 67(4): 040502. doi: 10.7498/aps.67.20172010
    [3] 邓世杰, 赵宇宏, 侯华, 文志勤, 韩培德. 高压下Ti2AlX(X=C,N)的结构、力学性能及热力学性质. 物理学报, 2017, 66(14): 146101. doi: 10.7498/aps.66.146101
    [4] 王焕光, 吴迪, 饶中浩. 孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解. 物理学报, 2015, 64(24): 244401. doi: 10.7498/aps.64.244401
    [5] 郑世燕. 以广义Redlich-Kwong气体为工质的不可逆回热式斯特林热机循环输出功率和效率. 物理学报, 2014, 63(17): 170508. doi: 10.7498/aps.63.170508
    [6] 徐红梅, 金永镐, 金璟璇. 基于符号动力学的开关变换器时间不可逆性分析. 物理学报, 2014, 63(13): 130502. doi: 10.7498/aps.63.130502
    [7] 夏少军, 陈林根, 戈延林, 孙丰瑞. 热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响. 物理学报, 2014, 63(2): 020505. doi: 10.7498/aps.63.020505
    [8] 李俊, 陈林根, 戈延林, 孙丰瑞. 正、反向两源热力循环有限时间热力学性能优化的研究进展. 物理学报, 2013, 62(13): 130501. doi: 10.7498/aps.62.130501
    [9] 张梅, 王俊. 基于改进的符号相对熵的脑电信号时间不可逆性研究. 物理学报, 2013, 62(3): 038701. doi: 10.7498/aps.62.038701
    [10] 程海涛, 何济洲. 一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机. 物理学报, 2013, 62(3): 030503. doi: 10.7498/aps.62.030503
    [11] 侯凤贞, 黄晓林, 庄建军, 霍铖宇, 宁新宝. 多尺度策略和替代数据检验——HRV时间不可逆性分析的两个要素. 物理学报, 2012, 61(22): 220507. doi: 10.7498/aps.61.220507
    [12] 程海涛, 何济洲, 肖宇玲. 周期性双势垒锯齿势中温差驱动的布朗热机. 物理学报, 2012, 61(1): 010502. doi: 10.7498/aps.61.010502
    [13] 沈韡, 王俊. 基于符号相对熵的心电信号时间不可逆性分析. 物理学报, 2011, 60(11): 118702. doi: 10.7498/aps.60.118702
    [14] 程雪涛, 梁新刚, 徐向华. (火积)的微观表述. 物理学报, 2011, 60(6): 060512. doi: 10.7498/aps.60.060512
    [15] 王秀梅, 何济洲, 何弦, 肖宇玲. 非线性二极管系统构成的不可逆热机性能特征分析. 物理学报, 2010, 59(7): 4460-4465. doi: 10.7498/aps.59.4460
    [16] 李宗诚. 耗散系统不可逆过程中的可拓展广义相对论引力关系. 物理学报, 2003, 52(4): 774-780. doi: 10.7498/aps.52.774
    [17] 李宗诚. 耗散系统不可逆过程中的可拓展广义相对论时空关系. 物理学报, 2003, 52(4): 767-773. doi: 10.7498/aps.52.767
    [18] 艾树涛, 钟维烈, 王春雷, 王矜奉, 张沛霖. 铁性体中畴结构产生的热力学描述. 物理学报, 2002, 51(2): 279-285. doi: 10.7498/aps.51.279
    [19] 艾树涛, 王春雷, 钟维烈, 张沛霖. 关于铁电相变的一个唯象讨论. 物理学报, 2001, 50(5): 910-913. doi: 10.7498/aps.50.910
    [20] 李富斌. 非平衡涨落问题的微观唯象分析理论(Ⅰ)——一种新的广义不可逆热力学理论与热涨落中涨落—耗散表示式的非平衡修正. 物理学报, 1989, 38(9): 1467-1474. doi: 10.7498/aps.38.1467
计量
  • 文章访问数:  4371
  • PDF下载量:  327
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-05-14
  • 修回日期:  2014-06-03
  • 刊出日期:  2014-10-05

/

返回文章
返回