Un nuovo studio determina l'efficienza di un motore termico a molecola singola considerando una serie di meccanismi che trasferiscono energia lungo una rete.

Dai motori a combustione interna ai frigoriferi domestici, i motori termici sono una componente onnipresente della vita quotidiana. Queste macchine convertono il calore in energia utilizzabile che può poi essere utilizzata per svolgere lavoro. I motori termici possono essere piccoli quanto una singola molecola i cui movimenti casuali scambiano energia con l’ambiente. Ma determinare l'efficienza di un motore termico molecolare non è un compito semplice.

In uno studio pubblicato su The European Physical Journal B , Mesfin Asfaw Taye, del West Los Angeles College, California, Stati Uniti, ora calcola le prestazioni di un motore termico molecolare in termini di una serie di ingranaggi molecolari che trasferiscono energia, passo a passo, in una direzione. Mostra e discute come manipolare un tale sistema per trasportare una particella lungo un percorso complesso.

Taye e i suoi colleghi hanno precedentemente invocato il concetto di “cricchetto browniano” per calcolare la velocità, l’efficienza e le prestazioni complessive di un motore termico molecolare. Qui, una particella (il motore) cambia posizione attraverso il movimento termico secondo un meccanismo che costringe un oggetto che altrimenti si muoverebbe in modo casuale a viaggiare in una sola direzione.

Ora Taye e il suo gruppo forniscono una soluzione analitica completa alle equazioni del loro modello che consente loro di calcolare le prestazioni del sistema in ogni momento lungo il percorso. In questo modo è possibile esaminare l'impatto della disposizione del cricchetto sull'efficienza e sulla velocità del motore. Mostrano inoltre che un motore che funziona in un bagno di calore con temperatura gradualmente decrescente può portare a una velocità più elevata ma a un'efficienza inferiore rispetto a un sistema con bagni caldi e freddi fissi, un altro strumento per manipolare il movimento del motore.

Questa scoperta fornisce un quadro per lo studio delle caratteristiche termodinamiche dei motori molecolari basati su proteine ​​e di altri sistemi su micro e nanoscala noti per convertire l'energia chimica in movimento meccanico. Offre un modo per trasportare una particella nella posizione desiderata in una rete a una velocità che dipende dalla disposizione dei cricchetti.

Ulteriori informazioni: Mesfin Asfaw Taye, Soluzioni dipendenti dal tempo per l'efficienza e la velocità di un motore termico browniano che opera in un reticolo bidimensionale accoppiato con un fondo termico non uniforme, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00533-y

Informazioni sul giornale: Giornale fisico europeo B

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