브라운 래칫

Brownian ratchet
브라운 래칫의 개략도

열 및 통계 물리학 철학에서, 브라운 래칫 또는 파인만-스몰루쇼스키 래칫은 폴란드의 물리학자 마리안 스몰루쇼스키에 [1]의해 1912년에 처음 분석된 두 번째 종류의 영구 운동 기계이다.그것은 1962년 5월 11일 캘리포니아 공과대학에서 열린 물리학 강의, 1964년 코넬 대학의 물리법 시리즈 The Character of Physical Law, 그리고 열역학의 법칙에 대한 그의[2] 텍스트 The Feyman 강의에서 널리 알려졌습니다.작은 패들 휠과 래칫으로 구성된 이 간단한 기계는 열역학 제2법칙을 위반하여 열 평형 시스템의 무작위 변동(열)으로부터 기계적 작업을 추출할 수 있는 맥스웰의 악마의 한 예처럼 보입니다.파인만 등의 상세한 분석은 왜 실제로 이것을 할 수 없는지를 보여주었다.

기계

이 장치는 래칫으로 알려진 기어로 구성되어 있으며, 래칫은 한 방향으로 자유롭게 회전하지만 폴에 의해 반대 방향으로 회전하는 것을 방지합니다.래칫은 T_에서 분자 유체에 담그는 패들 휠에 액슬을 통해 연결됩니다.분자는 온도에 의해 결정되는 평균 운동 에너지와 함께 무작위 브라운 운동을 한다는 점에서 열욕을 구성합니다.그 장치는 단일 분자 충돌로 인한 충격이 패들을 돌릴 수 있을 정도로 충분히 작은 것으로 상상된다.이러한 충돌은 동일한 확률로 로드를 어느 방향으로든 회전시키는 경향이 있지만, 폴은 래칫이 한 방향으로만 회전하도록 허용합니다.그러한 많은 무작위 충돌의 순효과는 래칫이 그 방향으로 계속 회전하는 것으로 보인다.그러면 래칫의 움직임을 사용하여 다른 시스템에서 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어 중력에 대한 무게(m)를 들어 올리는 것입니다.이 작업을 수행하는 데 필요한 에너지는 열 구배(즉, 운동이 공기의 온도에서 에너지를 거둬들이는 것) 없이 열욕에서 얻을 수 있습니다.그러한 기계가 성공적으로 작동한다면, 그 작동은 열역학 제2법칙에 위배될 것입니다. 열역학 제2법칙의 한 형태에는 "사이클에 따라 작동하는 어떤 장치도 단일 저장고로부터 열을 받아 순 작업량을 생산하는 것은 불가능합니다."라고 명시되어 있습니다.

실패 이유

첫눈에 브라운식 래칫이 브라운식 운동에서 유용한 작업을 추출하는 것처럼 보이지만, 파인만은 전체 장치가 같은 온도에 있으면 래칫이 한 방향으로 연속적으로 회전하지 않고 앞뒤로 무작위로 움직이기 때문에 어떤 유용한 작업도 만들어내지 못한다는 것을 증명했다.그 이유는 발톱이 노와 같은 온도에 있기 때문에, 위아래로 "쿵"하는 브라운 운동도 하기 때문입니다.따라서 래칫 톱니가 위로 올라가 있는 동안 손톱 아래로 뒤로 미끄러지도록 함으로써 간헐적으로 실패합니다.또 다른 문제는 손톱이 치아의 경사면에 놓여 있을 때 손톱을 되돌리는 스프링이 치아에 옆으로 힘을 가하여 래칫이 뒤로 회전하는 경향이 있다는 것이다.파인만은 래칫과 손톱의 T_가 패들의 T_})과 동일할 경우 고장률은 래칫이 앞으로 이동하는 속도와 같아야 하며, 따라서 충분한 기간 동안 네트 모션이 발생하지 않거나 앙상블이 합체하는 경우가 없다는 것을 입증했습니다.낡은 [2]감각Magnasco는 [3][failed verification – see discussion]치아 모양이 어떻든 그물코 운동이 일어나지 않는다는 단순하지만 엄밀한 증거를 제시했습니다.

반면 T_가 보다 작으면 래칫은 확실히 전진하여 유용한 작업을 할 수 있습니다.단, 이 경우 2개의 열저장소 사이의 온도구배에서 에너지를 추출하여 일부 폐열을 손톱에 의해 저온저장소로 배출한다.다시 말해, 이 장치는 열역학 제2법칙에 따라 소형 열 엔진으로 기능합니다.반대로 가 보다 디바이스는 반대 방향으로 회전합니다.

파인만 래칫 모델은 열역학의 [3][4]법칙에 따라 열 잡음이 아닌 화학 전위 및 기타 미세한 비균형 소스에서 유용한 작업을 추출할 수 있는 유사한 개념의 브라운 모터, 나노 기계로 이어졌다.다이오드는 래칫과 폴의 전기적 유사체이며, 같은 이유로 균일한 온도에서 회로에서 존슨 노이즈를 정류하여 유용한 작업을 수행할 수 없습니다.

Milonas와[5][6] Mahato는 1보다 큰 홀수 차수의 소멸되지 않는 상관 함수를 가진 평균 제로(편향되지 않은) 비균형 잡음에 의해 구동되는 상관 래칫으로 동일한 개념을 확장했다.

역사

래칫과 발톱은 1900년 [7]가브리엘 리프먼에 의해 제2법칙 위반 장치로 처음 논의되었다.1912년, 폴란드 물리학자 마리안 스몰루쇼프스키가[1] 이 장치가 고장난 이유에 대해 처음으로 올바른 정성적 설명을 했습니다; 손톱의 열운동은 래칫의 이빨이 뒤로 미끄러지도록 합니다.파인만은 1962년 맥스웰-볼츠만 분포를 사용하여 패들1 T의 온도가 래칫2 T의 온도보다 크면 열 엔진으로 기능하지만 T = T이면12 패들 순 운동이 없다는 것을 보여주었다.1996년, 후안 파론도와 펩 에스파놀은 패들과 래칫을 연결하는 차축이 저장고 사이에서 열을 전도한다는 것을 보여주기 위해 래칫이 존재하지 않는 위의 장치의 변형을 사용했다; 그들은 파인만의 결론은 맞았지만, 그의 분석에는 그가 준거성의 잘못된 사용 때문에 결함이 있었다고 주장했다.즉,[8] 효율성에 대한 잘못된 방정식이 생성됩니다.Magnasco와 Stolovitzky(1998)는 이 분석을 전체 래칫 장치를 고려하기 위해 확장했고, 장치의 출력은 파인만이 [9]주장한 카르노 효율보다 훨씬 작다는 것을 보여주었다.2000년 데릭 애보트의 논문, 브루스 R. 데이비스와 후안 파론도는 문제를 재분석하여 여러 래칫의 사례로 확장하여 파론도의 [10]역설과의 연관성을 보여주었다.

Brilouin paradox: 브라운 래칫의 전기적 유사점.

Léon Brilouin은 1950년에 래칫 [11]대신 정류기(다이오드 등)를 사용하는 전기 회로 아날로그에 대해 논의했습니다.다이오드가 저항기에 의해 생성된 존슨 노이즈 열전류의 변동을 수정하여 작업을 수행하는 데 사용할 수 있는 직류 전류를 발생시키는 것이었습니다.상세한 분석에서 다이오드 내부의 열적 변동은 정류 전류 변동에서 전압을 상쇄하는 기전력을 발생시키는 것으로 나타났습니다.따라서 래칫과 마찬가지로 모든 구성 요소가 열 평형 상태(동일한 온도)에 있으면 회로는 유용한 에너지를 생성하지 않습니다. 다이오드가 [12]저항기보다 낮은 온도에 있을 때만 DC 전류가 생성됩니다.

입상 가스

대학 트벤테의 대학 Patras의 그리스에서, 그리고 기초적 연구 문제에 재단에서 연구자들일 때 열 평형 상태에 있지 않은 일에 견고한 입자들의 집합체vibrated wi는 과립 gas,[13]의 방법으로pseudo-Brownian 운동 변환한 Feynman–Smoluchowski 엔진 건설했다.번째 s시스템이 가스 상태를 가정할 수 있습니다.제작된 엔진은 진동 유동 [14]입자가스 내에서 자유롭게 회전할 수 있는 4개의 베인으로 구성되었습니다.위에서 설명한 바와 같이 래칫의 기어와 폴 메커니즘은 액슬이 한 방향으로만 회전할 수 있도록 했기 때문에 움직이는 비드와 무작위로 충돌하여 베인이 회전했습니다.이것은 파인만의 가설과 모순되는 것으로 보인다.그러나 이 시스템은 완벽한 열 평형 상태에 있지 않습니다. 비즈의 유체 운동을 유지하기 위해 에너지가 지속적으로 공급됩니다.진동 장치 위에 있는 강한 진동은 분자 가스의 성질을 모방합니다.하지만, 작은 입자들이 끊임없이 움직이는 이상적인 기체와 달리, 흔들림을 멈추는 것은 단순히 구슬을 떨어뜨리는 것을 야기할 것이다.이 실험에서, 이 필요한 불균형 환경은 유지되었다.그러나 작업은 즉시 수행되지 않았습니다. 래칫 효과는 임계 진동 강도를 넘어서서만 시작되었습니다.매우 강한 흔들림의 경우 패들 휠의 베인이 가스와 상호작용하여 대류 롤을 형성하여 [14]회전을 유지합니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ a b M. von Smoluchowski(1912) Experimentell nachweisbare, der Ublicen Thermogynik widersprechende Molkularphen, Phys. Zeitshur. 13, 1069페이지, Freund, 2000년 1월 (2000년) 물리, 화학, 생물학에서의 확률적 과정, 스프링거, 페이지 59에서 인용됨
  2. ^ a b Feynman, Richard (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 1. Chapter 46. ISBN 978-0-201-02116-5.
  3. ^ a b Magnasco, Marcelo O. (1993). "Forced Thermal Ratchets". Physical Review Letters. 71 (10): 1477–1481. Bibcode:1993PhRvL..71.1477M. doi:10.1103/PhysRevLett.71.1477. PMID 10054418.
  4. ^ Magnasco, Marcelo O. (1994). "Molecular Combustion Motors". Physical Review Letters. 72 (16): 2656–2659. Bibcode:1994PhRvL..72.2656M. doi:10.1103/PhysRevLett.72.2656. PMID 10055939.
  5. ^ Dante R. Chialvo; Mark Millonas (1995). "Asymmetric unbiased fluctuations are sufficient for the operation of a correlation ratchet". Physics Letters A. 209 (1–2): 26–30. arXiv:cond-mat/9410057. Bibcode:1995PhLA..209...26C. doi:10.1016/0375-9601(95)00773-0. S2CID 17581968.
  6. ^ M.C. Mahato; A.M. Jayannavar (1995). "ynchronized first-passages in a double-well system driven by an asymmetric periodic field". Physics Letters A. 209 (1–2): 21–26. arXiv:cond-mat/9509058. Bibcode:1995PhLA..209...21M. CiteSeerX 10.1.1.305.9144. doi:10.1016/0375-9601(95)00772-9. S2CID 16118371.
  7. ^ Harmer, Greg; Derek Abbott (2005). "The Feynman-Smoluchowski ratchet". Parrondo's Paradox Research Group. School of Electrical & Electronic Engineering, Univ. of Adelaide. Retrieved 2010-01-15.
  8. ^ Parrondo, Juan M. R.; Pep Español (March 8, 1996). "Criticism of Feynman's analysis of the ratchet as an engine". American Journal of Physics. 64 (9): 1125. Bibcode:1996AmJPh..64.1125P. doi:10.1119/1.18393.
  9. ^ Magnasco, Marcelo O.; Gustavo Stolovitzky (1998). "Feynman's Ratchet and Pawl". Journal of Statistical Physics. 93 (3): 615. Bibcode:1998JSP....93..615M. doi:10.1023/B:JOSS.0000033245.43421.14. S2CID 7510373.
  10. ^ Abbott, Derek; Bruce R. Davis; Juan M. R. Parrondo (2000). "The problem of detailed balance for the Feynman-Smoluchowski Engine and the multiple pawl paradox" (PDF). Unsolved Problems of Noise and Fluctuations. American Institute of Physics. pp. 213–218. Retrieved 2010-01-15.
  11. ^ Brillouin, L. (1950). "Can the Rectifier Become a Thermodynamical Demon?". Physical Review. 78 (5): 627–628. Bibcode:1950PhRv...78..627B. doi:10.1103/PhysRev.78.627.2.
  12. ^ Gunn, J. B. (1969). "Spontaneous Reverse Current Due to the Brillouin EMF in a Diode". Applied Physics Letters. 14 (2): 54–56. Bibcode:1969ApPhL..14...54G. doi:10.1063/1.1652709.
  13. ^ "과립가스에서 살아난 고전적 사고실험", Foundation for Fundamental Research on Matter, 위트레흐트, 2010년 6월 18일.2010년 6월 24일에 취득.
  14. ^ a b Peter Eshuis; Ko van der Weele; Detlef Lohse & Devaraj van der Meer (June 2010). "Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas". Physical Review Letters. 104 (24): 4. Bibcode:2010PhRvL.104x8001E. doi:10.1103/PhysRevLett.104.248001. PMID 20867337.

외부 링크

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