When do nonequilibrium forms of disordered energy qualify as heat? We address this question in the context of cyclically operating heat engines feeding on nonequilibrium energy reservoirs that defy the zeroth law of thermodynamics into work. To consistently address a nonequilibrium bath as a heat bath in the sense of the second law of thermodynamics requires the existence of a precise mapping to an equivalent cycle with an equilibrium bath at a time-dependent effective temperature. We identify the most general setup for which this can generically be ascertained and thoroughly discuss an analytically tractable, experimentally relevant scenario: a Brownian particle confined in a periodically modulated harmonic potential and coupled to some nonequilibrium bath of variable activity. We deduce formal limitations for its thermodynamic performance, including maximum efficiency, efficiency at maximum power, and maximum efficiency at fixed power. The results can guide the design of new micromachines and clarify how much these can outperform passive-bath designs, which has been a debated issue for recent experimental realizations. To illustrate the practical implications of the general principles for quasistatic and finite-rate protocols, we further analyze a specific realization of such an active heat engine based on the paradigmatic active Brownian particle (ABP) model. This reveals some nonintuitive features of the explicitly computed dynamical effective temperature, illustrates various conceptual and practical limitations of the effective-equilibrium mapping, and clarifies the operational relevance of various coarse-grained measures of dissipation.

中文翻译：

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主动布朗热机

非平衡形式的无序能量什么时候可以视为热量？我们在循环运行的热机以非平衡储能器为动力的情况下解决了这个问题，该储能器违反了热力学的零定律。为了在热力学第二定律的意义上一致地将非平衡浴称为热浴，需要存在一个精确的映射，该映射对应于在随时间变化的有效温度下具有平衡浴的等效循环。我们确定了可以普遍确定的最一般的设置，并彻底讨论了分析上容易处理的，与实验相关的场景：布朗粒子被限制在周期性调制的谐波势中，并与可变活动的一些非平衡浴耦合。我们推断出其热力学性能的正式限制，包括最大效率，最大功率下的效率和固定功率下的最大效率。结果可以指导新的微型机器的设计，并阐明它们在性能上可以胜过被动浴式设计，这已成为最近实验实现的一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直觉特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。最大功率时的效率，固定功率时的最大效率。结果可以指导新的微型机器的设计，并阐明它们在性能上可以胜过被动浴式设计，这已成为最近实验实现的一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直觉特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。最大功率时的效率，固定功率时的最大效率。结果可以指导新的微型机器的设计，并阐明它们在性能上可以胜过被动浴式设计，这已成为最近实验实现的一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。结果可以指导新的微型机器的设计，并阐明它们在性能上可以胜过被动浴式设计，这已成为最近实验实现的一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。结果可以指导新的微型机器的设计，并阐明它们在性能上可以胜过被动浴式设计，这已成为最近实验实现的一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。对于最近的实验实现，这一直是一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。对于最近的实验实现，这一直是一个有争议的问题。为了说明准静态和有限速率协议的一般原理的实际含义，我们进一步基于范式主动布朗粒子（ABP）模型分析了这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。我们将基于范式主动布朗粒子（ABP）模型，进一步分析这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。我们将基于范式主动布朗粒子（ABP）模型，进一步分析这种主动热机的具体实现。这揭示了显式计算的动态有效温度的一些非直观特征，说明了有效平衡映射的各种概念和实际限制，并阐明了各种耗散的粗粒度度量的操作相关性。