分子ratchet器件和ratchet制冷【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　分子ratchet器件和ratchet制冷</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 應(yīng)用物理 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b>

3、;</p><p>　　【摘要】本文首先論述ratchet和ratchet器件的概念和工作原理，其中著重指出了系統(tǒng)ratchet現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于系統(tǒng)中存在在不對(duì)稱的ratchet勢(shì)能。從本質(zhì)上來將，ratchet的形成要?dú)w因于系統(tǒng)對(duì)稱操作下的不對(duì)稱性。更進(jìn)一步地，可以歸因于系統(tǒng)中存在ratchet勢(shì)能 —---- 一種空間不對(duì)稱的勢(shì)能。Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)“功—-能”

4、轉(zhuǎn)化的一種熱力學(xué)機(jī)制。進(jìn)而又探究了ratchet制冷的最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型，并分析了它的運(yùn)作機(jī)制。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】ratchet器件；ratchet制冷；不對(duì)稱勢(shì)能；工作原理</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】This article first discusses th

5、e concepts and works of ratchet devices, which highlights the phenomenon of a ratchet system, is due to the existence in the asymmetric ratchet potential. Essentially, the formation of ratchet up will due to system of as

6、ymmetric symmetric operation. With further can be attributed to ratchet potential energy systems exist -- a space asymmetrical potential energy. Ratchet system is a kind of using "input" and "output"

7、direction to realize the asymmetry of "</p><p>　　【KEYWORDS】ratchet devices; ratchet refrigerator; asymmetric potential; function</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>

8、;　　摘　要I</b></p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　目　錄II</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1前言1</b></p><p>　　

9、1.2研究進(jìn)展1</p><p>　　2ratchet的概念3</p><p>　　3ratchet器件4</p><p>　　3.1Ratchet器件的工作原理4</p><p>　　3.2ratchet器件類型（部分）6</p><p>　　3.2.1棘輪變速機(jī)6</p>&l

10、t;p>　　3.2.2基于Ratchet效應(yīng)的平面納米二極管6</p><p>　　3.2.3Ratchet的生物學(xué)，醫(yī)學(xué)運(yùn)用6</p><p>　　4Ratchet勢(shì)能與數(shù)值模擬7</p><p>　　4.1什么是Ratchet勢(shì)能7</p><p>　　4.2Ratchet勢(shì)能的數(shù)值模擬7</p>

11、<p>　　5ratchet制冷9</p><p>　　5.1ratchet制冷原理發(fā)展的意義9</p><p>　　5.2ratchet制冷定義及原理9</p><p>　　5.3 ratchet制冷和冰箱制冷的區(qū)別………………………………………………………………11</p><p><b>　　6

12、總結(jié)12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　致謝（宋體，加粗，小二號(hào)字，居中）錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　附錄（宋體，加粗，小二號(hào)字，居左）錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒論</b></p>

13、<p><b>　　前言</b></p><p>　　眾所周知， 現(xiàn)代社會(huì)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)機(jī)械的要求越來越高，很多情況下希望隨機(jī)的輸入能獲得單方向的輸出，并且要求這是不可逆的。為了迫切解決這個(gè)問題，現(xiàn)在,人們已經(jīng)越來越感興趣學(xué)習(xí)網(wǎng)電壓，研究非對(duì)稱輸運(yùn)。</p><p>　　非對(duì)稱輸運(yùn)不僅在基礎(chǔ)科學(xué)上有很重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,而且在實(shí)際應(yīng)用上也有很誘人的前景,因此

14、引起了物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛興趣。當(dāng)非對(duì)稱輸運(yùn)出現(xiàn)時(shí),利用確定或隨機(jī)的擾動(dòng)(在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)平均都為零)就可以產(chǎn)生定向傳輸。</p><p>　　在不對(duì)稱空間，運(yùn)輸周期的潛力棒產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力量。這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應(yīng)”。 現(xiàn)在分子馬達(dá)影響棘輪效應(yīng)。顆粒狀膠體物質(zhì)是運(yùn)輸原子的光學(xué)陷阱，電子在不對(duì)稱幾何學(xué)中傳遞,漩渦，在約瑟夫森結(jié)則運(yùn)輸和操縱超導(dǎo)體。</p><p>　　這其實(shí)就是Ratche

15、t模型，在物理學(xué)和生物學(xué)中被稱為Ratchet效應(yīng)。由Ratchet勢(shì)模型所建立的hachet動(dòng)力學(xué)還被用來描述一些非常復(fù)雜的系統(tǒng)，如超振蕩護(hù)模型。</p><p><b>　　研究進(jìn)展</b></p><p>　　據(jù)報(bào)道,對(duì)稱的噪聲可產(chǎn)生網(wǎng)電壓、和糾正直流電壓。我們已經(jīng)知道了相關(guān)的對(duì)稱的噪音也能產(chǎn)生凈電壓,源于系統(tǒng)的破壞對(duì)稱糾紛的加性和乘性之間的相關(guān)性噪音。以上所述

16、的所有工作的約瑟夫森結(jié)則被集中在運(yùn)輸引起對(duì)電子噪音。生產(chǎn)的原因是對(duì)電子運(yùn)輸系統(tǒng)的對(duì)稱性破壞。現(xiàn)在不對(duì)稱系統(tǒng)使概率的波動(dòng)對(duì)雙方的勢(shì)壘不同,所以,就對(duì)電子的運(yùn)輸能量在回應(yīng)的運(yùn)輸，源于對(duì)電子噪聲的能量。目前,我們的目標(biāo)是調(diào)查對(duì)電子的運(yùn)輸存在混沌信號(hào)(現(xiàn)在我們將不考慮噪聲)。一些不同尋常的行為導(dǎo)致混沌信號(hào)報(bào)道:凈電壓、混沌信號(hào)的現(xiàn)象產(chǎn)生共鳴。　</p><p>　　總之,我們報(bào)導(dǎo)了一些額外的方面，負(fù)面的流動(dòng)性,共振活化和

17、 noise-enhance 穩(wěn)定。如材料出現(xiàn)的這些現(xiàn)象,多諧振活化的山峰，當(dāng)前的逆轉(zhuǎn)， noise-weakened穩(wěn)定性等的平均速度，棘輪系統(tǒng)thermal -inertial周期信號(hào)與恒定偏差周期情況。它尚需進(jìn)一步研究thermal-inertial棘輪系統(tǒng)。所有的結(jié)果現(xiàn)象的非線性依賴平均再造速度對(duì)外界（或內(nèi)部）部分參數(shù)，如價(jià)值的持續(xù)不斷的偏移力量、驅(qū)動(dòng)頻率、噪音強(qiáng)度、等等。此外，人們提出了一些數(shù)字可以顯示最低平均速度和噪聲的力量

18、。</p><p>　　人們慢慢研究出了棘輪變速機(jī)，根據(jù)日常生活中各種交通工具振動(dòng)現(xiàn)象,分析了減少交通工具振動(dòng)的方法。設(shè)計(jì)了一種基于基于雙爪棘輪的減振發(fā)電裝置,該裝置充分利用振動(dòng)過程往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量,在減少交通工具振動(dòng)幅度的同時(shí)，把振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的電能.同時(shí)為用戶設(shè)計(jì)用電接口,使用方便，操作簡(jiǎn)單。該裝置的設(shè)計(jì)為開發(fā)日常生活中潛在的清潔能源提供了新方法,是一種具有廣闊發(fā)展前景的產(chǎn)品。</p>

19、<p>　　采用二維系綜蒙特卡羅方法對(duì)平面納米結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)地研究。計(jì)算結(jié)果表明納米結(jié)構(gòu)加工過程所帶來的表面電荷能夠用來改變納米溝道中的電場(chǎng)分布,從而使得納米溝道中的電勢(shì)分布呈現(xiàn)出空間不對(duì)稱。由于Ratchet效應(yīng),此時(shí)通過納米溝道的電子輸運(yùn)將體現(xiàn)出方向性,這使得該器件具有類似于二極管的電流電壓特性曲線。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu),還可以獲得開啟電壓為零的器件。由于該器件為納米量級(jí),因此具有很快的響應(yīng)速度。模擬結(jié)果表明在亞太赫

20、茲波段,該器件有不為零的整流信號(hào)輸出。</p><p>　　在化學(xué)上，分子在三磷酸腺苷的水溶液中，會(huì)沿著一定的路徑連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是分子馬達(dá)現(xiàn)象。那么，究竟是什么使得分子可以有這樣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)呢？在什么樣的條件下分子馬達(dá)可以存在呢？在數(shù)學(xué)上， Tilting Ratchet模型就是被提出來描述分子馬達(dá)現(xiàn)象的一種模型。Tilting Ratchet模型描述的過程是具有某種周期性的耦合擴(kuò)散過程。它描述的是分子在兩種不同

21、的狀態(tài)之間跳動(dòng)的模型，同時(shí)，有外在作用的周期性勢(shì)能。存在旋轉(zhuǎn)速率的兩個(gè)必要條件：不同狀態(tài)之間的跳動(dòng)和不對(duì)稱的勢(shì)能函數(shù)。</p><p>　　ratchet的概念</p><p>　　Ratchet，現(xiàn)在大家越來越喜歡談?wù)搑atchet。那到底什么是ratchet？</p><p>　　大家先考慮一個(gè)最常見的現(xiàn)象：我們平時(shí)騎的自行車，當(dāng)我們用力向前蹬車時(shí)，車車輪向前轉(zhuǎn)

22、；當(dāng)我們向后蹬車時(shí)，車輪不轉(zhuǎn)。這就可以保證，即便是我們的腳隨機(jī)的前后蹬車，車都會(huì)始終向前運(yùn)行。自行車的這種設(shè)計(jì)便利用了所謂的“ratchet效應(yīng)”：隨機(jī)的輸入獲得單方向的輸出，這是不可逆的。而自行車的ratchet使得隨機(jī)的輸入角動(dòng)量獲得單方向的角動(dòng)量，它本質(zhì)上是一個(gè)角速度不對(duì)稱的系統(tǒng)。在不對(duì)稱空間運(yùn)輸周期的潛力棒的驅(qū)動(dòng)力量，這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應(yīng)”。 </p><p>　　熱力學(xué)第二定律，是這么說的，不

23、可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。</p><p>　　所以，當(dāng)我們仔細(xì)思考這個(gè)能使隨機(jī)運(yùn)動(dòng)單向轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)時(shí)，就立即會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題：如果我們將ratchet系統(tǒng)，比如一輛自行車縮小到納米尺度，假設(shè)它的一切性能保持不變，那么僅靠空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)撞擊腳蹬，自行車便會(huì)單方向的運(yùn)行；隨著過程的繼續(xù)，“納米自行車

24、”便越走越快，空氣分子的熱能便毫無保留的單方向的轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，于是一臺(tái)“第二類永動(dòng)機(jī)”就此誕生了。</p><p>　　這顯然是很荒謬的，但是如果想給這個(gè)佯謬一個(gè)合理的解釋，我們就得從ratchet系統(tǒng)的工作機(jī)理來說起.</p><p><b>　　ratchet器件</b></p><p>　　Ratchet器件的工作原理</p>

25、<p>　　為了說明ratchet的工作原理我們先看一個(gè)比較簡(jiǎn)單的例子：我們?cè)噲D發(fā)明一個(gè)違反熱力學(xué)第二定律的裝置，它是一個(gè)能從所有東西都處在相同溫度的熱庫(kù)中取出功來的小玩意。如圖（1）所示兩個(gè)熱庫(kù)溫度分別為，，一根軸穿過這兩個(gè)熱庫(kù)，右端連著一個(gè)葉片，葉片足夠的小，以致能夠在空氣分子的碰撞下自由轉(zhuǎn)動(dòng)；左端連接一個(gè)齒輪，并且被一個(gè)稱作掣爪的彈簧片有傾向性的壓住，以使齒輪可以消耗較小的力矩沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而同時(shí)在彈簧片不翹起的

26、情況下，不會(huì)沿反方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。為了說明系統(tǒng)所做的機(jī)械功，我們?cè)谵D(zhuǎn)軸的中部懸掛一個(gè)重物，起附加力矩設(shè)為。</p><p>　　我們注意到，所有這些能量都完全相等，但符號(hào)則相反。這樣，重物或者緩慢升高，或者緩慢放下，取決于這兩個(gè)比率中哪一個(gè)更大一些。當(dāng)然，它不斷上下跳動(dòng)，一會(huì)升高，一會(huì)降低，但我們講的是平均的行為。</p><p><b>　　圖（1）</b></p

27、><p>　　再次強(qiáng)調(diào)，這個(gè)裝置足夠的輕巧，以至于在空氣分子的碰撞下可以運(yùn)行。由于氣體分子撞在葉片上，葉片會(huì)振動(dòng)和跳動(dòng)，我們要做的是在軸的另一端套上一個(gè)轉(zhuǎn)輪，它只能沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是棘輪和擎爪。然而隨后我們便可以看到問題也就出在這里。</p><p>　　我們知道，即便左側(cè)的齒輪欲正向轉(zhuǎn)動(dòng)，也需要先用輪齒將壓在上面的彈簧片頂起，然后再轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度。抬起彈簧片至一個(gè)輪齒的高度是需要做功的，

28、我們?cè)O(shè)其為；又若此時(shí)齒輪轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，則系統(tǒng)對(duì)外所做的機(jī)械功為，而根據(jù)能量守恒，右側(cè)的熱庫(kù)輸入的功至少應(yīng)為，根據(jù)熱力學(xué)定律，此事件發(fā)生的概率應(yīng)為 其中 是歸一化常數(shù)。</p><p>　　同時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)熱庫(kù)的分子也在不斷地撞擊著齒輪和彈簧片，而使得彈簧片由于布朗運(yùn)動(dòng)不斷地抬起和落下，而在彈簧片被分子撞擊而抬起高過一個(gè)輪齒的時(shí)間內(nèi)，齒輪既有可能向前轉(zhuǎn)動(dòng)，也有可能向后轉(zhuǎn)動(dòng)，即此時(shí)掣爪處于“失靈狀態(tài)”，在熱力學(xué)

29、中，此事件發(fā)生的概率為。假如對(duì)于某個(gè)特定的重物，重物的大小正好使這兩個(gè)事件發(fā)生的概率剛好相等，重物質(zhì)量的微小改變，會(huì)導(dǎo)致ratchet系統(tǒng)相應(yīng)的微小變化，此時(shí)這個(gè)熱機(jī)便構(gòu)成了一個(gè)可逆的“卡諾熱機(jī)”，這個(gè)平衡條件為：。假如系統(tǒng)緩緩提起重物，葉片取得的熱量為，釋放給齒輪的熱量為，這兩個(gè)能量之比為，假如我們緩緩的降低重物，也會(huì)有，因此， 更直觀的說明亦可見下表。</p><p>　　此外，我們所得出的功與葉片取得的能量

30、之比和與之比相同，因此也就是。 顯然，以上分析表明，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)正常工作，正向運(yùn)動(dòng)的概率與反常工作，反向運(yùn)轉(zhuǎn)的概率皆為，因此，空氣中的“納米自行車”由于各部分溫度相同而不會(huì)單方向運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　ratchet器件類型（部分）</p><p><b>　　棘輪變速機(jī)</b></p><p>　　人們慢慢研究出了棘輪變速機(jī)，根據(jù)日常生活中

31、各種交通工具振動(dòng)現(xiàn)象,分析了減少交通工具振動(dòng)的方法.設(shè)計(jì)了一種基于雙爪棘輪的減振發(fā)電裝置,該裝置充分利用振動(dòng)過程往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量,在減少交通工具振動(dòng)幅度的同時(shí),把振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的電能.同時(shí)為用戶設(shè)計(jì)用電接口,使用方便,操作簡(jiǎn)單.該裝置的設(shè)計(jì)為開發(fā)日常生活中潛在的清潔能源提供了新方法,是一種具有廣闊發(fā)展前景的產(chǎn)品。</p><p>　　基于Ratchet效應(yīng)的平面納米二極管</p><

32、p>　　采用二維系綜蒙特卡羅方法對(duì)平面納米結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)地研究。計(jì)算結(jié)果表明納米結(jié)構(gòu)加工過程所帶來的表面電荷能夠用來改變納米溝道中的電場(chǎng)分布,從而使得納米溝道中的電勢(shì)分布呈現(xiàn)出空間不對(duì)稱。由于Ratchet效應(yīng),此時(shí)通過納米溝道的電子輸運(yùn)將體現(xiàn)出方向性,這使得該器件具有類似于二極管的電流電壓特性曲線。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu),還可以獲得開啟電壓為零的器件。由于該器件為納米量級(jí),因此具有很快的響應(yīng)速度。模擬結(jié)果表明在亞太赫茲波段,該

33、器件有不為零的整流信號(hào)輸出。</p><p>　　Ratchet的生物學(xué)，醫(yī)學(xué)運(yùn)用</p><p>　　preproteins展開和導(dǎo)入到線粒體是得益于一個(gè)分子馬達(dá)的熱休克蛋白70(Hsp70)在矩陣中起著至關(guān)重要的作用。首先,preproteins含有無限的谷氨酸(polyE)或甘氨酸(polyG)重復(fù)前面是折疊領(lǐng)域引入到線粒體。雖然不能將這發(fā)生在這些延伸Hsp70展開折疊的領(lǐng)域,因?yàn)樗?/p>

34、不綁定polyE和polyG。其次,preproteins含有肌聯(lián)蛋白免疫球蛋白(搞笑)式的領(lǐng)域是進(jìn)口到線粒體,盡管事實(shí)是力量的pN需要200 >機(jī)械展這些領(lǐng)域。自從分子馬達(dá)產(chǎn)生力量,Hsp70 5不能促進(jìn)半導(dǎo)體器件的Ig-like域而展開的機(jī)械拉動(dòng)。我們的觀察表明Hsp70的一個(gè)要素,作為布朗棘輪,介導(dǎo)展開和易位的線粒體膜preproteins穿過。</p><p>　　醫(yī)學(xué)上，我們測(cè)量量子棘輪效應(yīng)的旋渦

35、朝著準(zhǔn)一維Josephson結(jié)陣列。在這固態(tài)器件的形狀渦勢(shì)能，因此，能帶結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)。這一帶結(jié)構(gòu)決定了存在或不存在的量子棘輪效應(yīng)。特別是，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)帶擁有以下的屏障不展示當(dāng)前整頓在低溫和偏置電流。量子性質(zhì)的運(yùn)輸也顯示在一個(gè)普遍/ nonuniversal冪律依賴的測(cè)量電壓，電流特性的樣品無/與整改。</p><p>　　Ratchet勢(shì)能與數(shù)值模擬</p><p>　　什

36、么是Ratchet勢(shì)能</p><p>　　上面提過，“ratchet效應(yīng)”，即隨機(jī)的輸入獲得單方向的輸出，這是不可逆的。而自行車的ratchet使得隨機(jī)的輸入角動(dòng)量獲得單方向的角動(dòng)量，它本質(zhì)上是一個(gè)角速度不對(duì)稱的系統(tǒng)。在不對(duì)稱空間運(yùn)輸周期的潛力棒驅(qū)動(dòng)力量，這種現(xiàn)象通常是被稱為“棘輪效應(yīng)”。 </p><p>　　從本質(zhì)上來講，ratchet的形成要?dú)w因于系統(tǒng)對(duì)稱操作下的不對(duì)稱性。跟進(jìn)一步

37、地，可以歸因于系統(tǒng)中存在ratchet勢(shì)能 —---- 一種空間不對(duì)稱的勢(shì)能。Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)“功—-能”轉(zhuǎn)化的一種熱力學(xué)機(jī)制。</p><p>　　Ratchet勢(shì)能的數(shù)值模擬</p><p>　　比如上例中我們可以將系統(tǒng)在“正常工作”下的勢(shì)能寫作：</p><p>　　上述模型是一個(gè)“思想模型”，結(jié)構(gòu)有些理性化，

38、并且有些復(fù)雜。在實(shí)際研究中，我們常常采用一些更本質(zhì)，更簡(jiǎn)單的模型去研究ratchet現(xiàn)象，比如一維隨機(jī)模型。</p><p>　　其動(dòng)力學(xué)方程可寫為：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　周期性ratchet勢(shì)能為：</p><p><b>　?。?）</b></

39、p><p><b>　　并且有</b></p><p><b>　　（3）</b></p><p><b>　　如圖（2）</b></p><p><b>　　圖（2）</b></p><p>　　上述動(dòng)力學(xué)方程中，是來自熱運(yùn)動(dòng)白噪聲的

40、漲落力，它滿足如下條件：</p><p><b>　　1）平均值為零：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　2）漲落—擴(kuò)散定理：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　事實(shí)上，對(duì)于很多動(dòng)力學(xué)系

41、統(tǒng)，（1）式中的往往可以忽略不計(jì)，于是（1）式可改寫為：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　如果要對(duì)上式進(jìn)行數(shù)值模擬，還可進(jìn)行進(jìn)一步的操作：</p><p><b>　　令隨機(jī)步長(zhǎng)，且</b></p><p>　　則（6）式改寫為離散的形式：</p>&l

42、t;p><b>　　（7）</b></p><p>　　同時(shí)可以注意到，漲落力的二階矩并非無窮大，而是</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　這樣，我們就可以通過選取特定的時(shí)間長(zhǎng)度來數(shù)值模擬一維情況下的ratchet模型。</p><p><b>　　rat

43、chet制冷</b></p><p>　　ratchet制冷原理發(fā)展的意義</p><p>　　冷卻技術(shù)不僅對(duì)我們的日常生活中，對(duì)科技進(jìn)展都產(chǎn)生了重大的影響。很長(zhǎng)時(shí)間以來，當(dāng)我們出汗, 身體蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生冷卻液。在國(guó)內(nèi)冰箱、高科技的冷卻方法有激光冷卻、磁制冷、輻射冷卻、和量子冷卻。大家都知道，溫度是可以直接測(cè)量，而熱的波動(dòng),是不能直接觀測(cè)的。但近年來，納米技術(shù)和分子生物學(xué),卻使這

44、種事情變得可能。我們能夠操縱,甚至制造一個(gè)分子標(biāo)度,在那里熱波動(dòng)可能不再被忽略。運(yùn)行這樣的機(jī)器,我們可以從他們的宏觀運(yùn)行相對(duì)應(yīng)復(fù)制他們的模式</p><p>　　另一種可能更有前途的方法,就是利用熱波動(dòng),而不是與他們對(duì)抗。例如布朗馬達(dá)，通過力量改變來影響熱波動(dòng)?；谖⒂^冷卻布朗馬達(dá)在其中,這就更突出了ratchet制冷的發(fā)展意義。</p><p>　　ratchet制冷定義及原理</

45、p><p>　　我們都知道，對(duì)于一般的熱機(jī)，比如卡諾熱機(jī)，其正循環(huán)可以通過兩個(gè)熱源的溫差來產(chǎn)生機(jī)械功，其逆循環(huán)則可以利用機(jī)械功來提高兩個(gè)熱源的溫差，于是從某種意義上來講，這便產(chǎn)生了一個(gè)制冷的機(jī)制，這是一個(gè)普遍的現(xiàn)象，可以當(dāng)做熱力學(xué)第二定律的一個(gè)推論看待。顯然，之前我們所討論的ratchet熱機(jī)，其逆過程便是一個(gè)微觀的制冷機(jī)，這便是ratchet制冷。</p><p>　　機(jī)械總是越簡(jiǎn)單的效率反

46、而越高。況且作為微觀的機(jī)械，越是擁有簡(jiǎn)單的模型結(jié)構(gòu)就越是易于實(shí)現(xiàn)和進(jìn)行理論分析。這里我們討論一個(gè)只有兩個(gè)元件組成的單結(jié)構(gòu)ratchet制冷機(jī)模型，它是由C. Van den Broeck, R. Kawai 和 P. Meurs 于2004年提出的。如圖（3）所示，這個(gè)制冷機(jī)是由一個(gè)頂角為的“三棱柱”和一個(gè)“漿”連接而成，在兩個(gè)熱源之間形成一個(gè)不對(duì)稱的ratchet機(jī)制。</p><p><b>　　圖

47、（3）</b></p><p>　　為了直觀的說明一下這個(gè)制冷機(jī)的工作原理，我們先討論下它的一個(gè)最簡(jiǎn)單的逆過程：在圖b的上方的熱源中，分子固定不動(dòng)即，分子質(zhì)量為；下方熱源中溫度，分子以速度運(yùn)動(dòng)（），每個(gè)分子的質(zhì)量為；熱機(jī)系統(tǒng)的總質(zhì)量為。假設(shè)所有的碰撞都是完全彈性的，當(dāng)某一時(shí)刻，下方熱源的一個(gè)分子向左撞擊“漿”時(shí)，ratchet以向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它與上方靜止的一個(gè)分子發(fā)生水平碰撞時(shí)，獲得的動(dòng)量為（向右）；當(dāng)

48、下方的分子向右撞擊“漿”時(shí)，ratchet以向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它與上方靜止的一個(gè)分子發(fā)生水平碰撞時(shí)，獲得的動(dòng)量為（向左），于是在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，ratchet以的動(dòng)量向右運(yùn)動(dòng)，這便是該ratchet系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱的機(jī)制。</p><p>　　對(duì)于一般的情況，我們有此熱機(jī)平均移動(dòng)速度與溫度的關(guān)系式：</p><p><b>　　（9）</b></p><

49、p>　　可見，當(dāng)時(shí)，熱機(jī)向右移動(dòng)；當(dāng)時(shí)，熱機(jī)向左移動(dòng)。</p><p>　　進(jìn)而我們可以繼續(xù)探討ratchet的制冷機(jī)制。由于在熱力學(xué)中，熱流動(dòng)力定義為；熱流，在溫差不大的情況下，令，上式化簡(jiǎn)為：</p><p><b>　　（10）</b></p><p>　　便是外界的策動(dòng)力，這也就是ratchet的制冷機(jī)制。當(dāng)然，在實(shí)際操作中，我們

50、還要考慮ratchet制冷機(jī)自身的熱導(dǎo)和摩擦熱，因此ratchet制冷機(jī)的機(jī)械效率需要進(jìn)一步的計(jì)算和模擬。</p><p>　　下圖便是對(duì)上述ratchet實(shí)際制造的一種可能的構(gòu)想。</p><p><b>　　圖（4）</b></p><p>　　同時(shí)，我們對(duì)策動(dòng)力也有一定的限制：</p><p><b>　

51、?。?1）</b></p><p>　　由一些鑲嵌成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力量;看見兩極分化的（圖4）。這樣就能做到一邊冷卻并一邊加熱，可以說是布朗冰箱。加熱后的系統(tǒng)predesigned的路子，也可能應(yīng)用于分子生物學(xué)。</p><p>　　5.3 Ratchet制冷和冰箱制冷的區(qū)別</p><p>　　電冰箱是利用液體（氟利昂）相變過程中吸熱和放熱來實(shí)現(xiàn)制冷的：

52、即液體在壓強(qiáng)較小的低溫?zé)嵩次鼰岵⒄舭l(fā)成氣體，氣體又流入壓強(qiáng)較大的高溫?zé)嵩茨Y(jié)成液體并放出熱量，這樣的循環(huán)便實(shí)現(xiàn)了電冰箱的制冷。 而ratchet本質(zhì)上是一個(gè)微觀系統(tǒng)的熱機(jī)，它將高溫?zé)嵩吹姆肿訜o規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為低溫?zé)嵩吹臋C(jī)械功，同時(shí)伴隨著高溫?zé)嵩礈囟鹊南陆岛偷蜏責(zé)嵩礈囟鹊纳?；這個(gè)過程是可逆的，也就是說，如果我們?cè)诘蜏責(zé)嵩词┘右欢ǖ臋C(jī)械功，讓ratchet逆轉(zhuǎn)，那么低溫?zé)嵩吹臏囟染蜁?huì)下降，而高溫?zé)嵩吹臏囟染蜁?huì)升高，從而實(shí)現(xiàn)制冷。&

53、lt;/p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文主要研究了分子ratchet的機(jī)理，ratchet勢(shì)能模擬，及其ratchet制冷的各方面問題，得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.Ratchet系統(tǒng)是一種利用“輸入”與“輸出”方向的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)“功—-能”轉(zhuǎn)化的一種熱力學(xué)機(jī)制，在具體的系統(tǒng)中，這一機(jī)制可以靠系統(tǒng)的不對(duì)稱的

54、ratchet勢(shì)能來實(shí)現(xiàn)。但從本質(zhì)上來講，則個(gè)機(jī)制仍然逃不出熱力學(xué)定律——尤其是第二定律的限制；以上的分析不僅驗(yàn)證了熱力學(xué)第二定律的正確性，同時(shí)也啟示我們，宏觀的機(jī)械原理想要應(yīng)用到微觀領(lǐng)域，有一些是要失效的，如果不考慮微觀世界的隨機(jī)性或者不確定性，有時(shí)會(huì)得到荒謬的結(jié)果。</p><p>　　當(dāng)然，反過來講，如果我們能充分利用微觀領(lǐng)域的不確定機(jī)制，也會(huì)得到一些有意義的宏觀效應(yīng)。近年來備受關(guān)注的超導(dǎo)體中不對(duì)稱勢(shì)所產(chǎn)生

55、的Josephson結(jié)便是一個(gè)很好的例子。</p><p>　　2. 我們都知道，對(duì)于一般的熱機(jī)，比如卡諾熱機(jī)，其正循環(huán)可以通過兩個(gè)熱源的溫差來產(chǎn)生機(jī)械功，其逆循環(huán)則可以利用機(jī)械功來提高兩個(gè)熱源的溫差，于是從某種意義上來講，這便產(chǎn)生了一個(gè)制冷的機(jī)制，這是一個(gè)普遍的現(xiàn)象，可以當(dāng)做熱力學(xué)第二定律的一個(gè)推論看待。顯然，之前我們所討論的ratchet熱機(jī)，其逆過程便是一個(gè)微觀的制冷機(jī)，這便是ratchet制冷。</

56、p><p>　　機(jī)械總是越簡(jiǎn)單的效率反而越高。況且作為微觀的機(jī)械，越是擁有簡(jiǎn)單的模型結(jié)構(gòu)就越是易于實(shí)現(xiàn)和進(jìn)行理論分析。這里我們討論一個(gè)只有兩個(gè)元件組成的單結(jié)構(gòu)ratchet制冷機(jī)模型，它是由C. Van den Broeck, R. Kawai 和 P. Meurs 于2004年提出的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

57、;　　The Feynman Lectures on Physics R. P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands Addison-Wesley Publishing Company， 1964</p><p>　　P. Riemann / Physics Reports 361 (2002) 57—265</p><p>　　C. Van den Br

58、oeck, R. Kawai Brownian Refrigerator PRL 96, 210601 (2006)</p><p>　　Jing-hui Li and Jerzy ?uczka Thermal-inertial ratchet effects: Negative mobility, resonant activation, noise-enhanced stability, and nois

59、e-weakened stability PHYSICAL REVIEW E 82, 041104 (2010)</p><p>　　LI Jing-Hui and HAN Yin-Xia Net Voltage and Phenomenon of Resonance Induced by Chaotic Signal for a Superconducting Junctions Device Commu

60、n. Theor. Phys. (Beijing, China) 46 (2006) pp. 647–650</p><p>　　熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理 汪志誠(chéng) 高等教育出版社</p><p>　　固體物理基礎(chǔ) 閻守勝 北京大學(xué)出版社</p><p>　　熱力學(xué)、氣體運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)力學(xué) 吳大猷 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社</p><p>　　朗道理

61、論物理教程之統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（Ⅰ）Landau, Lifshitz 高等教育出版社</p><p>　　S. H. Lee, K. Ladavac, M. Polin, and D. G. Grier, Phys. Rev.Lett. 94, 110601 (2005); D. Babi? and C. Bechinger, ibid. 94,148303 (2005)</p><p>　　E.

62、 Lundh and M. Wallin, Phys. Rev. Lett. 94, 110603 (2005).</p><p>　　C.W. Gardiner, Handkook of Stochastic Method for Physics, Chemistry and the Natural Sciences, Springer-Verlag, Berlin (1983).</p><

63、;p>　　Net Voltage and Phenomenon of Resonance Induced by Chaotic Signal for a Superconducting Junctions DeviceLI Jing-Hui and HAN Yin-Xia Department of Physics, Ningbo University, Ningbo 315211, China(Received Decembe

64、r 16, 2005)</p><p>　　Brownian Refrigerator C. Van den Broeck Hasselt University, B-3590 Diepenbeek, Belgium R. Kawai University of Alabama at Birmingham, Birmingham, Alabama 35294, USA (Received 6 February 2

65、006; published 1 June 2006)</p><p>　　Thermal-inertial ratchet effects: Negative mobility, resonant activation, noise-enhanced stability, and noise-weakened stability Jing-hui Li1 and Jerzy ?uczka[2 1]Faculty

66、 of Science, Ningbo University, Ningbo 315211, People’s Republic of China 2Institute of Physics, University of Silesia, 40-007 Katowice, Poland Received 26 May 2009; revised manuscript received 10 June 2010; published 7

67、October (2010).</p><p>　　P. Jung, J.G. Kissner, and P. H¨anggi, Phys. Rev. Lett. 76(1996) 3436; R. Bartussek, P. H¨anggi, and J. G. Kissner,Europhys. Lett. 28 (1994) 459; B. Linder, et al., Phys.Re

68、v. E 59 (1999) 1417.</p><p>　　R. Benzi, A. Sutera, and A. Vuljuani, J. Phys. A 14(1981) L453; B. McNamara and K. Wiesenfeld, Phys.Rev. A 39 (1989) 4854.</p><p>　　Jia Lu Lin Chen Dong, Z. Cao, Z.