世界上最小的蒸汽机

光电人 · 发表于 2011-12-27 09:54:18

微观世界的斯特林发动机：常规尺寸的发动机中，气体膨胀和收缩需要不同的温度，这样可以推动气缸中的活塞。斯图加特物理学家们创造的这种循环运动，采用的是微小塑料珠，他们控制这些塑料珠，是采用激光场聚集。

有了一种热引擎，尺寸只有几微米，但运行起来和大型引擎一样好，只是它喷溅东西。

汽车发动机修理店会是什么情况，通常也完全适用于微型发动机。如果它喷溅东西，那产生原因就是做热运动的最小粒子，这些粒子会干扰发动机运行。斯图加特大学（University of Stuttgart）和斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所（Stuttgart-based Max Planck Institute for Intelligent Systems）的研究人员已经观察到这一点，他们采用的热力发动机属于微米尺度。他们还确定，这种机器确实可以发挥作用，从全面考虑来看就是这样。虽然这还不能使用，但是，斯图加特研究人员所做的实验表明，这种发动机可以发挥基本作用，即使是在微尺度也行。这意味着，原则上，没有什么因素妨碍制备高效、小型热发动机。

一种技术可用于大尺度，但在小尺度却可能导致意想不到的问题。这可以说是一种基本性质。这是因为，有不同的规律主宰着微观和宏观世界。尽管有不同的规律，但是，有些物理过程，在大尺度和小尺度上却惊人地相似。克莱门斯•柏秦格（Clemens Bechinger）是斯图加特大学教授和马克斯•普朗克智能系统研究所研究员，他和他的同事瓦伦丁•波利科尔（Valentin Blickle）现在就观察到这样一种相似性。

“我们已开发出世界上最小的蒸汽机，或更精确说，是最小的斯特林发动机（Stirling engine），而且发现，这种机器确实可以运行。”克莱门斯•柏秦格说：“这并不一定像人们预料的那样，因为这种机器是如此之小，它的运动会受阻于一些微观过程，这些过程在宏观世界是无足轻重的。”这些障碍会使微型机器运行不精确，而且有些喷溅东西。

微观世界的规律决定，研究人员制备微小引擎，不能采用常规尺寸引擎的图纸。热力发动机是近200年前发明的，发明者是罗伯特•斯特林（Robert Stirling），这种发动机中，充满气体的气缸会周期性加热和冷却，使气体膨胀和收缩。这就使活塞运动，驱动车轮，这是举个例子。

瓦伦丁•波利科尔说：“我们成功地缩小热力发动机重要部件的尺寸，比如，工作气体和活塞就缩小到只有几微米，然后将它们组装到一台机器上。” 这样，斯图加特实验中的工作气体，就不再包含无数分子，它只是一个单一的塑料珠，尺寸只有3微米（一微米相当于千分之一毫米），塑料珠浮在水中。由于这种胶体粒子比原子大10000倍左右，因此，研究人员可以在显微镜下直接观察它的运动。

物理学家取代了活塞，活塞是在气缸中周期性上下活动，他们采用的是聚焦激光束，这种激光束的强度周期性变化。激光的光学力量限制塑料粒子的运动，使处于较大或较小的水平，就像压缩和膨胀的气体在大型热发动机汽缸中的情形。这种粒子随后会作用于光学激光场。为了使所做的功不会在压缩和膨胀中相互抵消，这些就必须出现在不同温度。要做到这一点，就需要采用加热系统，在膨胀过程中从外部进行加热，就像蒸汽机的锅炉。研究人员取代了老式煤火蒸汽机，采用另一个激光束，可以对水进行突然加热，但也可使它尽快降温，只要关闭就行。

事实上，斯图加特的这部机器运行不精确，这是因为塑料珠周围的水分子。水分子在不断运动，由于它们的温度，也在不断与微粒碰撞。在这些随机碰撞中，塑料粒子不断地与周围交换能量，它们是在相同数量级，因为微机械会把能量转换成机械运动。“这种效果意味着，不同周期所获得的能量会大大不同，甚至会使机器停顿，这是极端的情况，”瓦伦丁•波利科尔解释说。由于宏观机器可以转换大约20个数量级以上的能量，因此，其中最小颗粒的微小碰撞能量并不重要。

物理学家们更惊讶的是，平均而言，尽管功率不同，这种机器每个周期转换的能量一样多，甚至运行也有一样的效率，就像满负荷的宏观引擎一样。“我们的实验使我们初步观察到，有能量平衡的热发动机也可运行在微观尺度。虽然我们的机器还不能做任何有用的工作，但是，原则上说，没有热力学上的障碍会妨碍它在小尺度运行，”克莱门斯•柏秦格说。这无疑是个好消息，可设计可靠、高效的微型机械。

xslaser · 发表于 2011-12-27 10:45:27

不懂的人来说就是不可思议

xslaser · 发表于 2011-12-27 10:45:37

不懂的人来说就是不可思议

ztcwlj · 发表于 2012-6-28 14:52:35

尺寸只有3微米...内流满面

[技术] 世界上最小的蒸汽机

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