Trabajo Fin de Grado
Design and optimisation of irreversible heat engines
Autor/es | Prieto Rodríguez, Irene |
Director | Plata Ramos, Carlos Alberto
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Prados Montaño, Antonio ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Departamento | Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear |
Fecha de publicación | 2023 |
Fecha de depósito | 2024-02-23 |
Titulación | Universidad de Sevilla. Doble Grado en Física y Matemáticas |
Resumen | Las máquinas térmicas son dispositivos que convierten energía térmica en trabajo útil
operando de manera cíclica. Durante siglos, han desempeñado un papel fundamental en
el desarrollo industrial y tecnológico. Históricamente, ... Las máquinas térmicas son dispositivos que convierten energía térmica en trabajo útil operando de manera cíclica. Durante siglos, han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo industrial y tecnológico. Históricamente, se han empleado únicamente gases y líquidos como sustancia de trabajo, pero los avances técnicos alcanzados en las últimas décadas permiten ampliar las posibilidades experimentales y diseñar también máquinas que operan con una única partícula. Los sistemas de interés en este caso no pueden tratarse a nivel macroscópico y su estudio se enmarca en el campo de la termodinámica estocástica. En este trabajo estudiamos máquinas térmicas mesoscópicas constituidas por una partícula browniana confinada en un potencial armónico e inmersa en un fluido que actúa como baño térmico. Diseñamos un ciclo análogo al clásico motor de Stirling, compuesto por dos ramas isotermas y dos isócoras. Nos centramos en el caso irreversible, no cuasiestático, cuya duración finita permite al dispositivo generar una potencia no nula. Este aspecto es crucial, pues permite plantear la optimización de nuestro ciclo para maximizar la potencia producida, respondiendo así a un interés relevante a nivel práctico. Buscamos los protocolos de control del dispositivo que llevan a la optimalidad, utilizando herramientas del cálculo variacional y de la teoría del control óptimo. Asimismo, exploramos numéricamente la dependencia de la potencia máxima obtenida y la eficiencia correspondiente con los parámetros que caracterizan nuestro sistema. Heat engines transform thermal energy into useful work, operating in a cyclic manner. For centuries, they have played a key role in industrial and technological development. Historically, only gases and liquids have been ... Heat engines transform thermal energy into useful work, operating in a cyclic manner. For centuries, they have played a key role in industrial and technological development. Historically, only gases and liquids have been used as working substances, but the technical advances achieved over the past decades allow for expanding the experimental possibilities and designing engines operating with a single particle as well. In this case, the systems of interest cannot be addressed at a macroscopic level and their study is framed in the field of stochastic thermodynamics. In the present work, we study mesoscopic heat engines built with a Brownian particle submitted to harmonic confinement and immersed in a fluid acting as a thermal bath. We design a Stirling-like heat engine, composed of two isothermal and two isochoric branches. We focus on the irreversible, non quasi-static, case—whose finite duration enables the device to deliver a non-zero power output. This is a crucial aspect, inasmuch as it permits to put forward the optimisation of our cycle in order to maximise the delivered power, thereby addressing a relevant interest at a practical level. We search for driving protocols yielding optimality by using tools from variational calculus and optimal control theory. Likewise, we explore numerically the dependence of the maximum power output and the corresponding efficiency on the parameters characterising our system. |
Cita | Prieto Rodríguez, I. (2023). Design and optimisation of irreversible heat engines. (Trabajo Fin de Grado Inédito). Universidad de Sevilla, Sevilla. |
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TFG DGFM PRIETO RODRIGUEZ, ... | 2.420Mb | ![]() | Ver/ | |