https://arxiv.org/pdf/2312.02323
卡诺热机透过在高低温之间运作将热能转化为机械功，热机从高温库获取热量，将部分热
能转为
有用功并将余热释放到低温库。此周期称为卡诺循环。理想情况下此过程是可逆的使得卡
诺热机达到最大理论效率。然而现实中热机并非完全可逆，总会损失部分能量，因此实际
热机效率总低于同条件下的卡诺热机，符合热力学第二定律。建造接近卡诺效率的热机的
挑战在于，当热机效率接近卡诺效率时，其工作所需时间会趋于无限长，导致功率输出极
低。
工业革命以来热机一直是人类文明发展的重要技术。然而在追求卡诺效率同时往往需要牺
牲功率输出。一个最著名的限制是1/2通用性原则，该原则指出，在线性响应范围运行的
热机的最大功率效率最多只能达到卡诺效率一半。
北京师范大学的马宇涵和德勒斯登系统生物学中心的梁士翎发表于物理评论快报的论文认
为:理论上可以设计一种热机，在达到最大功率输出同时接近卡诺效率，颠覆了长久以来
关于热力学的假设。
马宇涵："这项合作起源于2022年底我与梁士翎的讨论。当时他发现能级简并可以提升热
机在最大功率输出时的效率。"
梁士翎："我从之前研究的高分子折叠模型中汲取灵感，开发了一个最小化热机模型。令
人惊讶的是，该模型显示出突破传统热机效率上限的潜力。这一意外发现促使我与马教授
展开合作。"
论文提出的解决方案是利用具有简并能级系统，每个能量态都有不同微观状态或组态，但
都对应相同能量。该模型包含两个能级：低能量状态和高能量状态（具有更高简并度，可
容纳更多分子组态），能级间转变透过ATP水解驱动反应(发生在低温时，能将系统推向高
能量状态)和自发转变(发生在高温时，由于高能态具有更多可用组态，因此更可能发生)
。随着系统规模增大（高能态简并度上升），这种转变会类似一阶相变，并且能量损失最
小。透过建立包含此特性的最小模型，他们能够展示其如何打破传统的热力学界限，并揭
示集体效应背后机制。
结果显示当系统规模趋近无穷大时，该生化热机能够同时达到最大功率输出与卡诺效率。
其功率输出与系统规模成线性关系，效率则趋近卡诺极限。证明用高简并能级系统可显著
提升热机性能。
"这与卡诺热机的理论影响类似。尽管卡诺热机只是理想模型，但它已经指导了实际热机
的发展数百年。即使我们无法完全实现完美的能级简并，我们现在知道，提高简并度可以
成为开发更高效热机的有效策略。"
该研究违反了传统的热机通用性法则。研究表明在极高简并度极限下，通用性法则可能失
效。这显示当系统内在物理量趋于发散时，某些传统热力学约束可能需要重新检视。该生
化热机能够合成ATP，因此与生物系统相关。下一步是寻找具有这种特性的实际热机如生
物聚合物(其非折叠态具有高简并度)。

左图为双态热机，其中高能量状态能够容纳的微观组态远多于低能量状态。
右图为功率与效率的权衡曲线，说明当能级简并差异增加时，该热机能够在维持最大功率
输出的同时趋近卡诺效率。