https://arxiv.org/pdf/2312.02323
卡諾熱機透過在高低溫之間運作將熱能轉化為機械功，熱機從高溫庫獲取熱量，將部分熱
能轉為
有用功並將餘熱釋放到低溫庫。此週期稱為卡諾循環。理想情況下此過程是可逆的使得卡
諾熱機達到最大理論效率。然而現實中熱機並非完全可逆，總會損失部分能量，因此實際
熱機效率總低於同條件下的卡諾熱機，符合熱力學第二定律。建造接近卡諾效率的熱機的
挑戰在於，當熱機效率接近卡諾效率時，其工作所需時間會趨於無限長，導致功率輸出極
低。
工業革命以來熱機一直是人類文明發展的重要技術。然而在追求卡諾效率同時往往需要犧
牲功率輸出。一個最著名的限制是1/2通用性原則，該原則指出，在線性響應範圍運行的
熱機的最大功率效率最多只能達到卡諾效率一半。
北京師範大學的馬宇涵和德勒斯登系統生物學中心的梁士翎發表於物理評論快報的論文認
為:理論上可以設計一種熱機，在達到最大功率輸出同時接近卡諾效率，顛覆了長久以來
關於熱力學的假設。
馬宇涵："這項合作起源於2022年底我與梁士翎的討論。當時他發現能級簡併可以提升熱
機在最大功率輸出時的效率。"
梁士翎："我從之前研究的高分子折疊模型中汲取靈感，開發了一個最小化熱機模型。令
人驚訝的是，該模型顯示出突破傳統熱機效率上限的潛力。這一意外發現促使我與馬教授
展開合作。"
論文提出的解決方案是利用具有簡併能級系統，每個能量態都有不同微觀狀態或組態，但
都對應相同能量。該模型包含兩個能級：低能量狀態和高能量狀態（具有更高簡併度，可
容納更多分子組態），能級間轉變透過ATP水解驅動反應(發生在低溫時，能將系統推向高
能量狀態)和自發轉變(發生在高溫時，由於高能態具有更多可用組態，因此更可能發生)
。隨著系統規模增大（高能態簡併度上升），這種轉變會類似一階相變，並且能量損失最
小。透過建立包含此特性的最小模型，他們能夠展示其如何打破傳統的熱力學界限，並揭
示集體效應背後機制。
結果顯示當系統規模趨近無窮大時，該生化熱機能夠同時達到最大功率輸出與卡諾效率。
其功率輸出與系統規模成線性關係，效率則趨近卡諾極限。證明用高簡併能級系統可顯著
提升熱機性能。
"這與卡諾熱機的理論影響類似。儘管卡諾熱機只是理想模型，但它已經指導了實際熱機
的發展數百年。即使我們無法完全實現完美的能級簡併，我們現在知道，提高簡併度可以
成為開發更高效熱機的有效策略。"
該研究違反了傳統的熱機通用性法則。研究表明在極高簡併度極限下，通用性法則可能失
效。這顯示當系統內在物理量趨於發散時，某些傳統熱力學約束可能需要重新檢視。該生
化熱機能夠合成ATP，因此與生物系統相關。下一步是尋找具有這種特性的實際熱機如生
物聚合物(其非折疊態具有高簡併度)。
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左圖為雙態熱機，其中高能量狀態能夠容納的微觀組態遠多於低能量狀態。
右圖為功率與效率的權衡曲線，說明當能級簡併差異增加時，該熱機能夠在維持最大功率
輸出的同時趨近卡諾效率。