微观双冲程热机性能的催化增强

我们考虑一个在微观机制下运行的热机模型：双冲程热机。它在时间上分离的两个离散冲程中做功并交换热量。热机的工作体由两个初始化在两个不同温度热态下的 $d$ 能级系统组成。此外，一个称为催化剂的辅助非平衡系统可以与热机的工作体结合，前提是催化剂的状态在热力学循环完成后保持不变。这确保了热机产生的功仅源于温差。在建立严格的热力学框架后，我们刻画了引入催化剂所带来的双重性能提升。首先，我们证明在非催化场景下，由两个二能级系统组成工作体的双冲程热机的最优效率由 Otto 效率给出，而通过将催化剂与工作体结合可以超越该效率。其次，我们表明引入催化剂使热机能够在非催化双冲程热机无法达到的频率和温度机制下运行。最后，我们提出了关于催化剂所带来优势的一般性猜想：对于任何微观双冲程热机，将催化剂与工作体结合总是能够比非催化场景提高效率。当工作体由两个初始化在两个不同温度热态下的 $d$ 能级系统组成时，只要在非催化场景下导致最优效率的最终联合态不是直积态，或者至少有一个 $d$ 能级系统不处于热态，我们就证明了该猜想对于双冲程热机成立。