Stochastic Energetics of Non-uniform Temperature Systems
本文提出了非均匀温度下Langevin方程描述的随机过程的能量解释。为了避免Ito-Stratonovich困境，我们从Kramers方程出发，利用重整化群方法导出了Fokker-Plank方程。给出了系统热的一个恰当定义。基于我们的公式，我们分析了两个例子，汤姆逊效应和布朗电机实现卡诺效率。
1998-10-19 cond-mat.stat-mech
Energetics and performance of a microscopic heat engine based on exact calculations of work and heat distributions
我们研究了一种基于外控二能级系统的微电机。电机的一个运行周期由两个冲程组成。在每个冲程内，两级系统与给定的热浴接触，并且其能级以恒定速率驱动。两个态的占据几率随时间的演化由一个速率方程控制，代表了系统对外界驱动的响应。我们给出了极限环速率方程的精确解，并讨论了新兴的热力学：对环境所做的工作，与浴的热交换，熵产生，电机的效率和功率输出。此外，我们引入了一个增广的随机过程，它反映了在给定的时间，两个国家的占领概率和在以前的演变过程中花费在各个国家的时间。增广过程的演化算子的精确计算使我们能够详细讨论极限环期间所作功的概率密度。在强不可逆的制度，密度表现出重要的质的差异，相对于更常见的高斯形状在弱不可逆的制度。
2009-12-10 cond-mat.stat-mech
The effect of temperature on viscous friction and the performance of a Brownian heat engine
研究了布朗粒子在周期性棘轮势中的输运特性。由于介质的粘性摩擦力随着介质温度的升高而减小，因此任何关于布朗发动机热力学特性的合理探索都应该考虑温度对流体粘性的作用。在这项工作中，我们研究了这种影响的温度，考虑的粘性摩擦，呈指数下降的背景温度的增加。我们的结果表明，布朗粒子表现出快速的单向运动时，粘性摩擦是温度依赖的比恒定的粘性摩擦。此外，当粘性摩擦与温度有关时，该马达的效率显著提高。另一方面，当粘性摩擦取为常数时，电机表现出更高的制冷机性能。
2015-07-08 cond-mat.stat-mech
Information flow, Gating, and Energetics in dimeric molecular motors
属于驱动蛋白和肌球蛋白超家族的分子马达通过一系列化学状态循环来水解ATP。这些细胞质马达是由两个连接的相同单体球状蛋白质组成的二聚体。在ATP水解产生的自由能的推动下，马达在极性轨道（微管或丝状肌动蛋白）上行走，这意味着只有一个头部分离并执行机械步骤，而另一个保持与轨道结合。因此，一个马达头必须调节另一个马达头的化学状态，称为“门控”，这是一个尚未完全理解的概念。受实验的启发，表明只有一小部分的能量从ATP水解用于推进驱动蛋白电机对负载，我们证明了额外的能量用于协调的化学循环的两个头在二聚体-一个功能，特点门控。为此，我们开发了一个通用的框架，基于信息理论和随机热力学，并建立门控可以量化的电机头之间的信息流。该理论的应用驱动蛋白-1和Myosin V表明，信息流发生，具有积极的协同性，在外部电阻负载小于一个临界值，$F_c$。当力超过$F_c$时，有效信息流停止。有趣的是，$F_c$，这是通过ATP水解产生的输入能量的独立性，与力的向后步骤的概率开始增加。我们的研究结果表明，运输效率是最佳的，只有在力小于$F_c$，这意味着这些电机必须在低负荷下运行$\textit{in vivo}$条件下。
2022-03-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Exploring the operation of a tiny heat engine
将微型热机模型化为布朗粒子在粘性介质中运动，并在其运动路径上放置热浴和冷浴$\it {alternately}$，得到稳态电流随模型参数变化的封闭表达式.这使我们能够处理的模型的能量和评估其效率或其系数的性能取决于模型的功能，无论是作为一个热机或作为一个冰箱，分别。我们还研究了电流随感兴趣参数变化的方式。当我们绘制出显示模型运行方式的相图时，我们不仅找到了它作为热机和制冷机的区域，而且还确定了模型既不作为热机也不作为制冷机的区域。
2006-05-09 cond-mat.stat-mech
Efficiency of a thermodynamic motor at maximum power
最近的一些理论解决了宏观热力学马达在最大功率下的效率问题，并对所谓的“Curzon-Ahlborn（CA）效率”提出了质疑。考虑到n源电机中的熵交换和产生，我们研究了其功率的最大化，并表明争议部分是由于最大化变量中的一些不精确性。当功率相对于系统温度最大化时，这些温度与对应的源温度的平方根成比例，这导致双热电机的CA公式。另一方面，当功率相对于过渡持续时间最大化时，双热电机的卡诺效率允许CA效率作为下限，如果绝热过渡的持续时间可以忽略，则可以达到该下限。此外，我们计算能量效率，或“可持续效率”，这可以定义为n个源，我们表明，它没有其他普遍的上限比1，但在某些情况下，有利于电力生产，它不超过1/2。
2011-12-06 cond-mat.stat-mech
Energetic costs, precision, and efficiency of a biological motor in cargo transport
分子马达在组织细胞内部中起着关键作用。在货物运输中有效的马达将沿着细胞骨架细丝以高速度和运输距离（或时间）的最小误差移动，同时消耗最少量的能量。然而，电动机的行进距离及其变化在物理上受到消耗的自由能的约束。最近制定的\emph{thermodynamic uncertainty relation}提供了一个理论框架的能量精度权衡关系无处不在的生物过程。根据该关系式，测量$\mathcal{Q}$（从电动机耗散的热与位移中的平方相对误差之间的乘积）具有最小理论界限（$\mathcal{Q} \geq 2 k_B T$），当电动机的时间轨迹对于给定量的自由能输入最大规则时，接近该最小理论界限。在这里，我们使用$\mathcal{Q}$来量化生物马达的运输效率。对几种类型分子马达的运动数据的分析表明，$\mathcal{Q}$是ATP浓度和负荷（$f$）的复杂函数。对于驱动蛋白-1，$\mathcal{Q}$在$f\approx 4$ pN和广泛的ATP浓度范围（1 $μ$ M - 10 mM）内接近理论结合，并在[ATP] $\approx$ 200 $μ$ M时局部最小化。与此形成鲜明对比的是，对于具有较长颈连接体的突变体，该局部最小值消失，并且$\mathcal{Q}$的值显著更大，这强调了分子结构的重要性。本文研究的生物马达的转运效率在细胞条件下进行了半优化（[ATP] $\ap…
2019-06-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Transport Characteristics of Molecular Motors
研究了分子马达的输运性质。应用基于布朗棘轮概念的简化模型。本文用数值方法分析了一类随机运动方程。系统地研究了运输的能量效率和质量表示的有效扩散系数。我们证明了摩擦和非平衡驱动的作用，运输量词和确定区域的参数空间，电机最佳运输。
2011-12-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonequilibrium energetics of a single F1-ATPase molecule
分子马达利用ATP水解等化学反应释放的自由能驱动机械运动。虽然了解这种自由能转换的效率是必要的，但由于系统的微观尺度，这一直是一个挑战。在这里，我们评估的旋转分子马达，F1-ATP酶的单分子能量学，通过应用最近导出的非平衡等式连同电旋转方法。我们表明，通过探头的旋转自由度和对外部负载的工作的热流的总和几乎等于每一个单一的ATP水解在各种条件下的自由能变化。这意味着F1-ATPase在热波动环境中以接近100%的效率工作。
2010-02-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Optimal strategy for controlling transport in inertial Brownian motors
为了优化惯性布朗电机的定向运动，我们确定的操作条件，既最大限度地提高电机电流和最小化其分散。惯性摇摆棘轮的广泛的数值模拟显示，两个量化，即能量效率和Péclet数（或等效的Fano因子），足以确定最佳传输的制度。这种摇摆的惯性布朗马达的有效扩散可以表示为广义的Green - Kubo型涨落定理。补遗和勘误表的惯性，周期性驱动的布朗粒子在一个不对称的，周期性的潜在的有效扩散的表达式进行比较，与步数扩散，这是从相应的粗粒度的跳跃过程中提取指定的数量覆盖的空间周期内的每个时间周期。这两个表达式通常是不同的，并且涉及跳数之间的相关性。
2006-03-28 cond-mat.stat-mech
Energetics of thermal ratchet models
最近提出了几种称为热棘轮模型的随机模型来分析马达蛋白，如肌球蛋白和驱动蛋白等。我们提出了一种方法来研究这些模型的能量学，并显示如何评估能量消耗率和能量耗散。作为示范，我们认为“费曼棘轮”，一个典型的波动热机。
1996-11-01 cond-mat.stat-mech q-bio
Phenomenological framework for nonequilibrium steady states of molecular motors
提出了一种以有效温度表示的分子马达能量效率的表达式，该有效温度是根据关联函数与其速度敏感度的比值定义的。我们还提出了一个数值结果，关于这个温度的热棘轮模型。此外，我们的表达效率使用已知值驱动蛋白可以充分解释实验结果。这里提出的框架有一个封闭的形式现象，是独立于任何详细的模型。
2003-10-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Brownian Carnot engine
卡诺循环对在两个热浴之间操作的宏观马达的效率施加了基本上限。然而，这个界限需要在微观尺度上重新解释，分子生物发动机和一些人造微引擎在那里运行。正如随机热力学所描述的，微观系统中的能量转移是随机的，热波动引起熵的瞬时减小，允许可能违反卡诺极限。尽管其潜在的相关性的发展热力学的小系统，微观卡诺发动机的实验研究仍然缺乏。在这里，我们报告的卡诺发动机的实验实现与一个单一的光学捕获布朗粒子作为工作物质。我们提出了一个详尽的研究的能量的发动机和分析的波动的有限时间的效率，表明卡诺约束可以被超越为少数的非平衡循环。作为其宏观对应物，我们的卡诺装置的能量学表现出人们期望在不同温度下与浴一起操作的任何微观能量换能器中观察到的基本性质。我们的研究结果表征了发动机中不可逆性的来源和效率的统计特性-这一见解可以激发高效纳米电机设计的新策略。
2015-07-30 cond-mat.stat-mech
Energetics of Forced Thermal Ratchet
已知分子马达在存在热涨落的情况下具有高的能量转换效率。受这一令人惊讶的事实的启发，最近对热棘轮模型的研究表明，如何以及何时应该从非平衡涨落中提取功。其中一个重要的发现是由Magnasco，他研究了温度依赖的波动-感应电流在棘轮（多稳态）系统，并表明，目前一般可以最大限度地在有限的温度。这一有趣的发现被解释为热涨落对涨落诱导功无害，甚至有助于其效率。然而，我们表明，这种解释是不正确的，只要我们进入能量学领域[Sekimoto，J.Phys.Soc.Jpn.66，1234 -1237（1997）]：能量转换的效率不是在有限的温度下最大化，即使在相同的系统，Magnasco考虑。在没有热波动的情况下实现最大效率。这一结果提出了一个悬而未决的问题，即热涨落是否能促进力-涨落能量转化为功的效率。
1998-01-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Irreversible Brownian heat engine
我们将布朗热机建模为在周期性棘轮势中跳跃的布朗粒子，其中棘轮势与线性降低的背景温度耦合。结果表明，即使在准静态极限下，这种布朗热机的效率也远低于卡诺效率。在准静态极限下，热机的效率接近内可逆热机$η=1-\sqrt{{T_{c}/T_{h}}}$ \cite{c18}的效率。另一方面，发动机的最大动力效率接近$η^{MAX}=1-({T_{c}/T_{h}})^{1\over 4}$。此外，通过省略通过动能的热交换，解析地探索电流以及效率对模型参数的依赖性。在这种情况下，我们表明，优化的效率总是在quaistatic极限和最大功率的效率之间。另一方面，最大功率下的效率总是小于优化效率，因为粒子的快速运动是以能量成本为代价的。时间对电机性能的作用也通过数值模拟进行了探讨。我们的数值计算结果表明，时间$t$以及外部负载决定的颗粒速度的方向。此外，热机的性能随时间而提高。在大$t$（稳态）时，制冷机的速度、效率和性能系数达到最大值。
2016-06-28 cond-mat.stat-mech
Multilevel quantum thermodynamic swap engines
我们研究了二冲程量子热力学发动机中的能量交换和涨落，其中工作流体由两个多级量子系统表示，即qudits，热流通过在不同温度下的两个热库的弛豫来允许，并且功交换通过部分交换幺正相互作用来操作。我们确定了三个制度的操作（热机，制冷机，热加速器），目前的熵产生和信噪比的功和热之间的热力学不确定性关系，并推导出完全的联合概率的随机工作和热。我们的研究结果弥合了双量子比特和双模玻色子交换引擎之间的差距，并显示了哪些属性被保持（例如，非波动的奥托效率）以及因增加维数而损失的部分（例如，标准热力学不确定性关系的小的违反或超过Curzon-Ahlborn效率的可能性）。
2021-07-14 cond-mat.stat-mech quant-ph
