2021 Fiscal Year Research-status Report

力学系と線形応答理論に基づく低温度差スターリングエンジン技術の新機軸の提案

Research Project

Project/Area Number	19K03651
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	泉田勇輝東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70648815)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	低温度差スターリングエンジン / 力学系 / 分岐 / 非平衡熱力学 / 線形不可逆熱力学 / 非線形動力学 / 非平衡熱統計力学 / 線形応答理論
Outline of Annual Research Achievements	昨年度に投稿した制御パラメータをゆっくりと変化させた熱機関モデルの階層的なOnsager対称性に関する論文が受理・出版された。これによって制御パラメータを操作した熱機関サイクルの効率を特徴付ける応答係数をサイクルの各瞬間の局所的な応答係数の積分形として得ることができ、線形応答領域における熱機関の効率を定式化することができた。また同様な大域・局所的な関係は自律熱機関である低温度差スターリングエンジンでも成立し、その場合の応答係数はOnsagerの運動論的係数に対応することも明らかにした。本年度はさらに自律熱機関への拡張を念頭に、一般の非自律的な熱機関サイクルの効率に関する研究を進めた。スターリングエンジンを熱力学サイクルとして表したとき、サイクルには一定の温度の熱環境と熱をやりとりする二つの等温過程が含まれる。一般には熱機関が熱をやりとりする熱源は二つに限らず、複数もしくは連続的に変化する無限個の熱源と接していてもよい。この場合にも一般化されたカルノーの定理が成立し、最大効率は熱源の温度の最大値と最小値のカルノー効率で表され、これを達成する等号条件は二つの熱源の間で動作する可逆熱機関であることがクラウジウスの不等式から示される。この構造を線形応答理論の観点から理解するために、熱源の温度が連続的に変化する一般の熱機関サイクルを有限の速度で動作させた際の不可逆効率を定式化した。この式は、一般化されたカルノーの定理を線形応答領域において自然な形で含んでいる。また様々な熱機関サイクルは温度関数の形によって表現されており、一般化されたカルノーの定理の等号条件がスターリングサイクルのような等温過程を含むサイクルであることを温度関数の性質から示した。得られた成果は現在論文投稿中である（arXiv:2204.00807）。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 一定の成果は順調に出ているが、研究計画とは順番が異なる形で研究が進展しており、特に投稿中の論文が今年度中に出版できなかったことが理由である。
Strategy for Future Research Activity	線形応答理論の観点からの低温度差スターリングエンジンの理解は概ね完了したと考えている。今後は力学系の観点からの研究を進め、これらを統合することで研究を完成させることを目指す。
Causes of Carryover	主に研究成果発表の際の経費として使用する予定であったが、特に現在投稿中の論文の年度中の出版ができなかったため、オープンアクセス費として使用できなかったことが大きい。