Optimal finite-time Brownian Carnot engine

卡诺循环 热机 非平衡态热力学 物理 熵产生 布朗运动 斯特林发动机 热力学第二定律 统计物理学 计算机科学 机械 热力学 量子力学
作者
Adam G. Frim,Michael R. DeWeese
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:105 (5) 被引量:10
标识
DOI:10.1103/physreve.105.l052103
摘要

Recent advances in experimental control of colloidal systems have spurred a revolution in the production of mesoscale thermodynamic devices. Functional "textbook" engines, such as the Stirling and Carnot cycles, have been produced in colloidal systems where they operate far from equilibrium. Simultaneously, significant theoretical advances have been made in the design and analysis of such devices. Here, we use methods from thermodynamic geometry to characterize the optimal finite-time nonequilibrium cyclic operation of the parametric harmonic oscillator in contact with a time-varying heat bath with particular focus on the Brownian Carnot cycle. We derive the optimally parametrized Carnot cycle, along with two other new cycles and compare their dissipated energy, efficiency, and steady-state power production against each other and a previously tested experimental protocol for the Carnot cycle. We demonstrate a 20% improvement in dissipated energy over previous experimentally tested protocols and a ∼50% improvement under other conditions for one of our engines, whereas our final engine is more efficient and powerful than the others we considered. Our results provide the means for experimentally realizing optimal mesoscale heat engines.
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