微观三态以及五态热机和制冷机热力学性能研究

摘要

近年来在生物学、物理学实验等很多方面都有输运的问题,当输运涉及到热现象时,热机的研究则应运而生。系统环境的决定因素有很多,包括激发机制,热涨落等。布朗热机、量子热机、激光热机、电子热机等近年来被很多学者研究,其中受热涨落控制的热机大多来自生物系统,例如布朗热机、分子泵以及分子通道等;电子输运控制有量子点热机等。布朗热机的理论主要从福克普朗克方程、郎之万方程、主方程、随机热力学出发结合布朗粒子的特点推演出来的。和经典的热机相比,布朗热机主要受到和时间关联的势垒、温度差或者化学势差的驱动使得粒子做定向运动,从而克服负载对外做功。其中与热涨落密切相关的微观三态和五态模型是布朗热机的研究内容之一。
　　本文主要研究微观三态和五态布朗热机以及制冷机的热力学性能,不可逆因素对热机性能的影响以及如何提高热机的效率或者功率等。
　　第一章介绍了本文的研究背景、理论基础以及国内外对微观三态和五态布朗热机研究的现状等。
　　第二章研究了微观三态和五态制冷机模型,由该模型的跃迁几率表达式可知跃迁几率符合细致平衡条件。基于主方程,推导出两种微观制冷机制冷系数和制冷率的解析表达式,利用数值分析的方法得出了制冷率随制冷系数的变化关系曲线,分析了两种制冷机的性能特征,结果发现三态以及五态模型制冷机的最大制冷率及对应的制冷系数均随热库温比单调增大;三态模型制冷机的最大制冷率比五态模型的大,制冷系数却小。
　　第三章建立了微观五态不可逆热机模型。基于主方程,推导出五态模型的功率以及效率解析表达式。利用数值分析的方法得出了功率随效率的变化关系曲线,分析了热机的性能特征,结果发现此热机功率随效率的变化关系是闭合型曲线。

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第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 微观三态五态热机动力学理论

1.3 研究现状

1.4 本文的主要工作和内容安排

第 2 章 两类微型制冷机的性能特征分析

2.1 引言

2.2 三态制冷机模型

2.3 性能特征分析

2.4 五态制冷机模型

2.5 性能特征分析

2.6 三态模型与五态模型制冷机的比较

2.7 本章小结

第 3 章 五态热机的性能特征分析

3.1 引言

3.2 模型和理论

3.3 性能特征分析

3.4 优化特性

3.5 本章小结

第 4 章 结论与展望

4.1 结论

4.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果