Az emberek megtanultak nagyon erős belső égésű motorokat építeni, de a legfontosabb dolgot - hatékonyságuk jelentős növekedését - nem tanultak meg. Ezen útvonal határát a termodinamika második törvénye határozza meg, amely kimondja, hogy egy rendszer entrópiája elkerülhetetlenül növekszik. De lehet-e kvantumfizika segítségével ezt a határt túllépni? Kiderült, hogy lehetséges, de ehhez meg kellett értenünk, hogy az entrópia szubjektív, és a hő és a munka távol áll az energia lehetséges lehetséges formáitól. További információt arról, hogy mi a kvantummotor, hogyan vannak felépítve és mire képesek, olvassa el anyagunkat.
A motorok kiszámítására, tervezésére és tervezésére szolgáló technológia több mint 300 éves fejlesztése során a nagy hatékonyságú tényezővel rendelkező gép létrehozásának problémáját még nem sikerült megoldani, bár ez sok tudományos és technológiai terület szempontjából kritikus.
A kvantumfizika, amelyet a 20. század elején fedeztek fel, már sok meglepetést mutatott be a technológia világában: atomelmélet, félvezetők, lézerek és végül kvantumszámítógépek. Ezek a felfedezések a szubatomi részecskék szokatlan tulajdonságain alapulnak, nevezetesen a közöttük levő kvantumkorrelációkon - az információcsere tisztán kvantumú módján.
És úgy tűnik, hogy a kvantumfizika kész meglepni minket: a kvantumterodinamika fejlődésének éveiben a fizikusok megmutatták, hogy a kvantumhőmotorok nagy hatékonysággal bírnak kis léptékben, és a klasszikus gépek számára nem elérhetőek.
Vessen egy pillantást arra, hogy mi a kvantum-termodinamika, hogyan működnek a hőmotorok, milyen javulásokat biztosít a kvantumfizika, és mit kell tenni a jövő hatékony motorjának létrehozása érdekében.
Klasszikus hőmotorok
A 28 éves francia mérnök, Sadi Carnot, 1824-es, A tűz motívumának tükröződése című könyvében kitalálta, hogy a gőzmotorok miként képesek hatékonyan átalakítani a hőt munkássá, amely dugattyú mozgatását vagy kerék forgását eredményezi.
Promóciós videó:
Carnot meglepetésére, az ideális motor hatékonysága csak a motor hőforrása (fűtés, általában tűz) és hűtőborda (hűtőszekrény, általában környezeti levegő) közötti hőmérsékleti különbségtől függött.
Carnot rájött, hogy a munka a hőnek a forró testről hideg testre történő természetes átalakulásának mellékterméke.
A hőgép működési rendje.
Hőmotorokban a következő ciklust kell alkalmazni. A Q 1 hőt a fűtőkészülékről t 1 hőmérsékleten juttatják a munkafolyadékhoz, a Q 2 hő egy részét a hűtőszekrénybe szállítják t 2, t 1> t 2 hőmérsékleten.
A hőmotor által elvégzett munka megegyezik a szolgáltatott és az elszállított hő közötti különbséggel: A = Q 1 - Q 2, és a η hatékonyság egyenlő: η = A / Q 1.
Carnot megmutatta, hogy egyetlen hőmotor hatékonysága sem haladhatja meg a ciklusa alatt működő ideális hőmotor hatékonyságát a fűtő és a hűtőszekrény azonos hőmérsékletein. ΗCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. A hatékony hőmotor létrehozása a valós Hatékonyság η az ideális ηigNem.
Sadi Carnot nyolc évvel később meghalt a koleraban - még mielőtt látta volna, hogy már a 19. században a hatékonysági formula hogyan vált a klasszikus termodinamika elméletévé - egyetemes törvények sorozata, amelyek a hőmérsékletet, a hőt, a munkát, az energiát és az entrópiát érintik.
A klasszikus termodinamika a rendszerek statisztikai tulajdonságait írja le azáltal, hogy a mikroparamétereket, például a részecskék helyzetét és sebességét makroparaméterekké redukálja: hőmérséklet, nyomás és térfogat. Kiderült, hogy a termodinamikai törvények nemcsak a gőzgépre vonatkoznak, hanem a Napra, a fekete lyukakra, az élőlényekre és az egész Univerzumra is.
Ez az elmélet annyira egyszerű és általános, hogy Albert Einstein azt hitte, hogy "soha nem fogják megdönteni". A termodinamika azonban a kezdetektől fogva rendkívül furcsa helyet foglal el az univerzum többi elmélete között.
„Ha a fizikai elméletek emberek lennének, akkor a termodinamika falusi boszorkány lenne” - írta néhány évvel ezelőtt Lydia del Rio fizikus. "Más elméletek furcsanak találják őt, különbözik a többitől, de mindenki tanácshoz fordul hozzá, és senki sem mer ellentmondni neki."
A termodinamika soha nem állította, hogy egyetemes módszer a körülöttünk lévő világ elemzésére, inkább a világ hatékony felhasználásának módja.
A termodinamika megmutatja nekünk, hogy miként lehet a legtöbb forrást kihasználni, például forró gáz vagy mágneses fém, hogy elérjék konkrét célokat, legyen az vonat mozgatása vagy merevlemez formázása.
Sokrétűsége abból a tényből fakad, hogy nem próbálja megérteni az egyes rendszerek mikroszkopikus részleteit, hanem csak arra törekszik, hogy meghatározza, mely műveleteket könnyű végrehajtani ezekben a rendszerekben és melyeket nehéz.
Ez a megközelítés furcsának tűnhet a tudósok számára, de a fizikában, a számítástechnikában, a közgazdaságtanban, a matematikában és sok más helyen aktívan alkalmazzák.
Az elmélet egyik legfurcsabb tulajdonsága a szabályok szubjektivitása. Például egy átlagos hőmérsékleten azonos hőmérsékletű részecskékből álló gáz mikroszkopikus hőmérsékleti különbségeket mutat a közelebbi vizsgálat során.
Az utóbbi években a termodinamika forradalmi megértése alakult ki, ezt a szubjektivitást kvantuminformációs elmélettel magyarázva, amely leírja az információ kvantumrendszeren keresztüli terjedését.
Ahogyan a termodinamika eredetileg a gőzgép fejlesztésének kísérletéből származik, a modern termodinamika már kvantumgép - vezérelt nanorészecskék - működését írja le.
A helyes leírás érdekében a termodinamikát kénytelen kiterjeszteni a kvantumrégióra, ahol olyan fogalmak, mint a hőmérséklet és a munka elveszítik szokásos jelentését, és a mechanika klasszikus törvényei nem működnek.
Kvantum-termodinamika
A kvantum-termodinamika születése
1867-ben skót kollégájához, Peter Tate-hez intézett levélben a híres fizikus, James Clark Maxwell megfogalmazta a híres paradoxont, utalva a termodinamika és az információ kapcsolatára.
A paradoxon a termodinamika második törvényére vonatkozott - az a szabály, hogy az entrópia mindig növekszik. Ahogyan Sir Arthur Eddington később megjegyezte, ez a szabály "domináns helyet foglal el a természet törvényei között".
A második törvény szerint az energia rendezetlenebbé és kevésbé hasznosá válik, mivel forró testből hideg testhez vezet, és a hőmérsékleti különbségek csökkennek.
És amint Carnot felfedezéséről emlékszünk, a hideg és meleg testnek hasznos munkát kell végeznie. A tűz kialszik, a reggeli kávéscsészék lehűlnek, és az univerzum egységes hőmérsékleti állapot felé rohan, amelyet az univerzum hőhalálának hívnak.
A nagy osztrák fizikus, Ludwig Boltzmann megmutatta, hogy az entrópia növekedése a szokásos matematikai statisztikák törvényének következménye: sokkal több módszer van az energia egyenletes eloszlására a részecskék között, mint annak helyi koncentrációjára. Amikor a részecskék mozognak, akkor természetesen magasabb entrópiás állapotokra hajlanak.
Maxwell levele azonban egy gondolatkísérletet írt le, amelyben egy bizonyos megvilágosult lény - késõbb Maxwell démonnak nevezik - tudását használja az entrópia csökkentésére és a második törvény megsértésére.
A mindenható démon ismeri minden molekula helyzetét és sebességét egy gáztartályban. Azáltal, hogy a tartályt két részre osztja, és kinyitja és bezárja a két kamra közötti kis ajtót, a démon csak az egyik irányba mozgatja a gyors molekulákat, a másikban csak a lassú molekulákat.
A démon tettei megosztják a gázt melegre és hidegre, koncentrálva az energiát és csökkentve a teljes entrópiát. Egy bizonyos átlaghőmérsékletű, haszontalan gáz most felhasználható egy hőmotorban.
Maxwell és mások évekig azon gondolkodtak, hogy a természet törvénye hogyan függhet a molekulák helyzetének és sebességének ismeretétől. Ha a termodinamika második törvénye szubjektíven függ ezen információtól, akkor hogyan lehet abszolút igazság?
A termodinamika kapcsolata az információval
Egy évszázaddal később, az amerikai fizikus, Charles Bennett, Leo Szilard és Rolf Landauer munkájára támaszkodva, megoldotta a paradoxont azáltal, hogy formálisan összekapcsolta a termodinamikát az információ tudományával. Bennett azzal érvelt, hogy a démon tudása a memóriájában tárolódik, és a memóriát meg kell tisztítani, ami munkát igényel.
1961-ben Landauer kiszámította, hogy szobahőmérsékleten egy számítógépnek legalább 2,9 x 10-21 džaulra van szüksége a tárolt információk egy bitjének törléséhez. Más szavakkal: amikor egy démon elválasztja a meleg és hideg molekulákat, csökkentve a gáz entrópiáját, tudata energiát fogyaszt, és a gáz + démon rendszer teljes entrópiája növekszik anélkül, hogy megsértené a termodinamika második törvényét.
A kutatások kimutatták, hogy az információ fizikai mennyiség - minél több információ van, annál több munkát tud kinyerni. Maxwell démonja egy hőmérsékleten gázzal dolgozik, mert sokkal több információval rendelkezik, mint egy átlagos megfigyelő.
További fél évszázad és a kvantuminformációs elmélet korszakának telt el, amely a kvantumszámítógép követéséből származik. A fizikusok részletesen megvizsgálták Bennett ötletének megdöbbentő következményeit.
Az elmúlt évtizedben a fizikusok feltételezték, hogy az energia a forró tárgyaktól a hideg tárgyakig terjed, az információ részecskék közötti terjesztésének bizonyos módja miatt.
A kvantumelmélet szerint a részecskék fizikai tulajdonságai valószínűek és a részecskék állapotok szuperpozíciójában lehetnek. Amikor kölcsönhatásba lépnek, beleakadnak az állapotát leíró valószínűségi eloszlások összevonásával.
A kvantumelmélet központi pozíciója az az állítás, hogy az információ soha nem veszül el, vagyis az Univerzum jelenlegi állapota megőrzi az összes információt a múltról. Az idő múlásával azonban, mivel a részecskék kölcsönhatásba lépnek, és egyre inkább belegabalyodnak, az egyes állapotukra vonatkozó információk keverednek és egyre több részecske között oszlanak el.
A csésze kávé szobahőmérsékletre lehűl, mert amikor a kávémolekulák ütköznek a levegőmolekulákkal, a kávéenergiát kódoló információ kiszivárog, továbbadódik a környező levegőbe, és elveszik benne.
Az entrópia mint szubjektív mérték megértése azonban lehetővé teszi az egész világegyetem fejlődését az információvesztés nélkül. Még akkor is, ha az Univerzum egyes részeinek, például a gázrészecskék, a kávé, az N + 1 olvasók entrópiája növekszik, amikor kvantuminformációik elvesznek az Univerzumban, az Univerzum globális entrópiája mindig nulla marad.
Kvantumhőmotorok
Hogyan tudnánk a kvantum-termodinamika mélyebb megértése alapján hőmotorot építeni?
2012-ben létrehozták a Kvantumterodinamika Technológiai Európai Kutatóközpontját, amely jelenleg több mint 300 tudósot és mérnököt foglalkoztat.
A központ csapata reméli, hogy megvizsgálja azokat a törvényeket, amelyek kvantumátmenetekre irányulnak a kvantummotorokban és a hűtőszekrényekben, amelyek valaha hűthetik a számítógépeket, vagy felhasználhatók napelemekben, biomérnöki munkákban és egyéb alkalmazásokban.
A kutatók már sokkal jobban megértik, hogy mire képesek a kvantummotorok.
A hőmotor olyan eszköz, amely kvantum-folyadékot és két tartályt használ különböző hőmérsékleten (fűtő és hűtő) a munka kinyeréséhez. A munka az energia átadása a motortól egy külső mechanizmushoz a mechanizmus entrópiájának megváltoztatása nélkül.
Másrészt a hő az energiacsere a munkafolyadék és a tartály között, ami megváltoztatja a tartály entrópiáját. A tartály és a munkafolyadék közötti gyenge összeköttetés mellett a hő hozzákapcsolódik a hőmérséklethez és kifejezhető dQ = TdS-ként, ahol dS a tartály entrópiájának változása.
Elemi kvantumhőmotorban a munkafolyadék egy részecskéből áll. Egy ilyen motor megfelel a második törvénynek, ezért a Carnot hatékonysági határértéke szintén korlátozza.
Amikor a munkaközeget érintkezésbe hozzák a tartállyal, az energiaszint populációja megváltozik a munkaközegben. A tartály meghatározó tulajdonsága az, hogy képes-e a munkafolyadékot adott hőmérsékletre melegedni, függetlenül a test kezdeti állapotától.
Ebben az esetben a hőmérséklet a rendszer kvantumállapotának paramétere, és nem egy makroparaméter, mint a klasszikus termodinamika során: a hőmérsékletről mint az energiaszintek populációjáról beszélhetünk.
A tározóval történő energiacsere során a test entrópiát is cserél, ezért az energiacserét ebben a szakaszban hőátadásnak tekintjük.
Például vegye figyelembe a kvantum-Otto ciklust, amelyben egy kétszintű rendszer működő folyadékként fog működni. Egy ilyen rendszerben két energiaszint létezik, amelyek mindegyike lakható; legyen a talaj szintjének energiája E 1 és az gerjesztett szint E 2. Az Otto ciklus négy szakaszból áll:
I. Az E 1 és E 2 szintek közötti távolság növekszik és Δ 1 = E 1 - E 2 lesz.
II. Kapcsolatban van a fűtőkészülékkel, a rendszer felmelegszik, vagyis a felső energiaszint fel van töltve, és a munkafolyadék entrópiája megváltozik. Ez az interakció τ 1 ideig tart.
III. Össze van tömörítve az E 1 és az E 2 szint, azaz van munka a rendszeren, most a szintek közötti távolság Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. A testet τ 2 időtartamra érintkezésbe hozzák a hűtőszekrénnyel, ami lehetőséget nyújt a pihenésre, a felső szint ürítésére. Az alsó szint már teljesen lakott.
Itt nem mondhatunk semmit a munkafolyadék hőmérséklettől, csak a fűtőtest és a hűtőszekrény hőmérsékletei számítanak. A tökéletes mű így írható:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
ahol p 0 (1) annak valószínűsége, hogy a munkafolyadék talaj (gerjesztett) állapotban volt. Ennek a kvantum négyütemű motornak a hatékonysága η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto ciklus egy kétszintű rendszeren.
Például lehetséges olyan kvantummotor felépítése, amelyben a szupravezető kvbit működő folyadék szerepet játszik, és két normál, különböző ellenállású ellenállást fűtőként és hűtőszekrényként használnak.
Ezek az ellenállások jellegzetes hőmérsékleten zajt generálnak: nagy zajmelegítő, kicsi hűtőszekrény.
Egy ilyen motor helyes működését a finn Aalto Egyetem tudósai mutatták be.
Az Otto-ciklus végrehajtása során az energiaszintek közötti különbséget állandó mágneses fluxussal lehet modulálni, vagyis "szűkíteni" vagy "kibővíteni" a szinteket, és a tartályokkal való interakció bekapcsolását rövid mikrohullámú jelekkel kiválóan sikerült elérni.
2015-ben a jeruzsálemi héber egyetem tudósai kiszámították, hogy az ilyen kvantummotorok felülmúlhatják a klasszikus társaikat.
Ezek a valószínűségi motorok továbbra is a Carnot képlettel követik a hatékonyságot abban a tekintetben, hogy mennyi munkát tudnak kinyerni a meleg és a hideg test közötti áramlásból. De képesek sokkal gyorsabban visszahozni a munkát.
2016-ban kísérletileg bemutatták és bemutatták az egyionos motort, bár nem alkalmaztak kvantumhatásokat a teljesítmény erősítésére.
Nemrégiben építettek egy nukleáris mágneses rezonancián alapuló kvantumhőmotorot, amelynek hatékonysága nagyon közel állt az ideális ηCarnot értékhez.
A kvantumhőmotorok felhasználhatók a nagy és a mikroszkopikus rendszerek, például kvantumok hűtésére egy kvantumszámítógépen.
A mikroszisztéma hűtése azt jelenti, hogy a populáció csökken gerjesztett szinten és az entrópia csökken. Ezt ugyanazon termodinamikai ciklusokon keresztül lehet végrehajtani, amelyekbe belemegy a fűtőtest és a hűtőszekrény, de ellentétes irányban.
2017 márciusában egy cikket tettek közzé, amelyben a kvantuminformációs elmélet felhasználásával a termodinamika harmadik törvényét derítették ki - egy nyilatkozatot az abszolút nulla hőmérséklet elérésének lehetetlenségéről.
A cikk szerzői megmutatták, hogy a hűtési sebesség korlátozása, amely megakadályozza az abszolút nulla elérését, abból a korlátozásból származik, hogy milyen gyorsan lehet az információt kiszivárogtatni a részecskékből egy véges méretű tárgyban.
A sebességkorlátozásnak sok köze van a kvantumhűtők hűtési képességéhez.
A kvantummotorok jövője
Hamarosan meglátjuk a kvantumtechnikák korszakát, majd a kvantumhőmotorok sokat segíthetnek.
Nem megfelelő, ha a konyhai hűtőszekrényt hibás működése miatt hűti a mikroszisztémáknak - átlagosan alacsony a hőmérséklete, de helyben elérheti az elfogadhatatlan értékeket.
Mivel a kvantum-termodinamika szorosan kapcsolódik az információkhoz, tudásunkat (információkat) felhasználhatjuk helyi munkák elvégzéséhez - például Maxwell kvantum-démon megvalósításához többszintű rendszerek segítségével a kvitek hűtésére (az állam tisztítására) egy kvantumszámítógépen.
A nagyobb léptékű kvantummotorok esetében túl korai lenne azt állítani, hogy egy ilyen motor helyettesíti a belső égésű motort. Eddig az egy atomú motorok túl alacsony hatékonyságúak.
Intuitív módon azonban egyértelmű, hogy ha sokféle szabadságú makroszkopikus rendszert használunk, akkor csak a hasznos munka kis részét tudjuk kinyerni, mivel egy ilyen rendszer csak átlagosan vezérelhető. A kvantummotorok koncepciójában lehetővé válik a rendszerek hatékonyabb irányítása.
Jelenleg számos elméleti és mérnöki kérdés merül fel a nanoméretű hőmotorok tudományában. Például nagy probléma a kvantumingadozások, amelyek „kvantum súrlódást” okozhatnak, extra entrópiát vezethetnek be és csökkentik a motor hatékonyságát.
A fizikusok és a mérnökök most aktívan dolgoznak a kvantum üzemi folyadék optimális szabályozásán, valamint egy nanofűtés és nanokőtő létrehozásán. Előbb vagy utóbb a kvantumfizika segít nekünk a hasznos eszközök új osztályának létrehozásában.
Mihail Perelstein