Folk har lært å bygge veldig kraftige forbrenningsmotorer, men de har ikke lært det viktigste - en betydelig økning i effektiviteten. Grensen for denne veien er satt av termodynamikkens andre lov, som sier at entropien til et system uunngåelig øker. Men er det mulig å overvinne denne grensen ved hjelp av kvantefysikk? Det viste seg at det er mulig, men for dette var det nødvendig å forstå at entropi er subjektiv, og varme og arbeid er langt fra de eneste mulige energiformene. For mer informasjon om kvantemotorer, hvordan de er ordnet og hva de er i stand til, les vårt materiale.
Over 300 års utvikling av teknologi for å beregne, designe og designe motorer, har problemet med å lage en maskin med høy effektivitetsfaktor ikke blitt løst, selv om det er avgjørende for mange områder innen vitenskap og teknologi.
Kvantefysikk, oppdaget på begynnelsen av 1900-tallet, har allerede gitt oss mange overraskelser i teknologiens verden: atomteori, halvledere, lasere og til slutt kvantecomputere. Disse funnene er basert på de uvanlige egenskapene til subatomiske partikler, nemlig kvantekorrelasjoner mellom dem - en rent kvante måte å utveksle informasjon på.
Og det ser ut til at kvantefysikk er klar til å overraske oss igjen: År med utvikling av kvantetermodynamikk har gjort det mulig for fysikere å vise at kvantevarmemotorer kan ha høy effektivitet på små skalaer, utilgjengelige for klassiske maskiner.
La oss se på hva kvantetermodynamikk er, hvordan varmemotorer fungerer, hvilke forbedringer kvantefysikken gir og hva som må gjøres for å skape en effektiv fremtidens motor.
Klassiske varmemotorer
I sin bok fra 1824 Reflections on the Motive Force of Fire fant den 28 år gamle franske ingeniøren Sadi Carnot ut hvordan dampmotorer effektivt kan konvertere varme til arbeid som får et stempel til å bevege seg eller hjulet.
Salgsfremmende video:
Til Carnots overraskelse var effektiviteten til en ideell motor bare avhengig av temperaturforskjellen mellom motorens varmekilde (en varmeovn, vanligvis en brann) og en kjølelegeme (et kjøleskap, vanligvis omgivelsesluft).
Carnot innså at arbeid er et biprodukt av den naturlige overgangen fra varme fra en varm til en kald kropp.
Opplegget med varmemotoren.
I varmemotorer brukes følgende syklus. Varme Q 1 tilføres fra varmeapparatet med temperatur t 1 til arbeidsvæsken, en del av varmen Q 2 blir fjernet til kjøleskapet med temperatur t 2, t 1> t 2.
Arbeidet som utføres av varmemotoren er lik forskjellen mellom den tilførte og fjernede varmen: A = Q 1 - Q 2, og virkningsgraden η vil være lik η = A / Q 1.
Carnot viste at virkningsgraden til enhver varmemotor ikke kan overstige effektiviteten til en ideell varmemotor som opererer i sin syklus med de samme temperaturene som varmeren og kjøleskapet ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Å lage en effektiv varmemotor er den maksimale tilnærmingen til den virkelige Effektivitet η til ideell ηCarnot.
Sadi Carnot døde av kolera åtte år senere - før han kunne se hvordan allerede på 1800-tallet hans formel for effektivitet ble til teori om klassisk termodynamikk - et sett av universelle lover som forbinder temperatur, varme, arbeid, energi og entropi.
Klassisk termodynamikk beskriver de statistiske egenskapene til systemer ved å redusere mikroparametre, slik som partiklernes posisjon og hastighet, til makroparametere: temperatur, trykk og volum. Lovene om termodynamikk viste seg å være gjeldende ikke bare for dampmaskiner, men også for solen, sorte hull, levende ting og hele universet.
Denne teorien er så enkel og generell at Albert Einstein trodde at den "aldri vil bli styrtet." Imidlertid inntok termodynamikken helt fra begynnelsen av en ekstremt underlig stilling blant andre teorier om universet.
"Hvis fysiske teorier var menneskelige, ville termodynamikk være en landsbyheks," skrev fysiker Lydia del Rio for noen år siden. "Andre teorier synes hun er merkelig, annerledes enn resten, men alle kommer til henne for å få råd, og ingen tør motsi henne."
Termodynamikk har aldri hevdet å være en universell metode for å analysere verden rundt oss, snarere er det en måte å effektivt bruke denne verdenen på.
Termodynamikk forteller oss hvordan vi kan utnytte ressursene som varm gass eller magnetisert metall for å oppnå spesifikke mål, enten det er å flytte et tog eller formatere en harddisk.
Allsidigheten kommer av det faktum at den ikke prøver å forstå de mikroskopiske detaljene i individuelle systemer, men bare bryr seg om å bestemme hvilke operasjoner som er enkle å implementere i disse systemene, og hvilke som er vanskelige.
Denne tilnærmingen kan virke underlig for forskere, men den brukes aktivt innen fysikk, informatikk, økonomi, matematikk og mange andre steder.
Et av de merkeligste trekk ved en teori er subjektiviteten til dens regler. For eksempel har en gass som består av partikler med samme temperatur i gjennomsnitt mikroskopiske temperaturforskjeller ved nærmere undersøkelse.
De siste årene har det dukket opp en revolusjonerende forståelse av termodynamikk, som forklarer denne subjektiviteten gjennom kvanteinformasjonsteori, som beskriver forplantning av informasjon gjennom kvantesystemer.
Akkurat som termodynamikk opprinnelig vokste ut av forsøk på å forbedre dampmaskiner, beskriver moderne termodynamikk driften av allerede kvantemaskiner - kontrollerte nanopartikler.
For en riktig beskrivelse er vi tvunget til å utvide termodynamikk til kvanteområdet, der begreper som temperatur og arbeid mister sin vanlige betydning, og mekanikkens klassiske lover slutter å virke.
Kvantetermodynamikk
Fødselen av kvantetermodynamikk
I et brev fra 1867 til sin skotske kollega Peter Tate formulerte den berømte fysikeren James Clark Maxwell det berømte paradokset, og antydet om forbindelsen mellom termodynamikk og informasjon.
Paradokset gjaldt termodynamikkens andre lov - regelen om at entropi alltid øker. Som Sir Arthur Eddington senere bemerket, inntar denne regelen "en dominerende stilling blant naturlovene."
I henhold til den andre loven blir energi mer forstyrret og mindre nyttig når den går fra varme til kalde kropper og temperaturforskjellene avtar.
Og som vi husker fra Carnot oppdagelse, kreves en varm og kald kropp for å gjøre nyttig arbeid. Brannene slukker, kaffekoppene om morgenen avkjøles, og universet haster mot en tilstand med ensartet temperatur kjent som universets varmedød.
Den store østerrikske fysikeren Ludwig Boltzmann viste at økningen i entropi er en konsekvens av lovene i vanlig matematisk statistikk: det er mange flere måter å fordele energi jevn mellom partikler på enn for den lokale konsentrasjonen. Når partikler beveger seg, har de naturlig en tendens til høyere entropistilstander.
Men Maxwells brev beskrev et tankeeksperiment der et visst opplyst vesen - senere kalt Maxwells demon - bruker sin kunnskap for å redusere entropi og bryte den andre loven.
Den allmektige demonen kjenner plasseringen og hastigheten til hvert molekyl i en beholder med gass. Ved å dele beholderen i to halvdeler og åpne og lukke den lille døren mellom de to kamrene, lar demonen bare raske molekyler i den ene retningen og bare treg dem i den andre.
Demonens handlinger deler gassen i varmt og kaldt, og konsentrerer sin energi og reduserer den totale entropien. En gang ubrukelig gass med en viss gjennomsnittstemperatur kan nå brukes i en varmemotor.
I mange år lurte Maxwell og andre på hvordan naturloven kunne være avhengig av å vite eller ikke vite molekylenes plassering og hastighet. Hvis termodynamikkens andre lov er subjektivt avhengig av denne informasjonen, hvordan kan det da være absolutt sannhet?
Forhold mellom termodynamikk og informasjon
Et århundre senere løste den amerikanske fysikeren Charles Bennett, som tegnet på arbeidet til Leo Szilard og Rolf Landauer, paradokset ved formelt å knytte termodynamikk til informasjonsvitenskapen. Bennett hevdet at demonens kunnskap er lagret i hans minne, og minnet må tømmes, noe som krever arbeid.
I 1961 beregnet Landauer at en datamaskin ved romtemperatur trenger minst 2,9 x 10-21 joule for å slette en bit lagret informasjon. Med andre ord, når en demon skiller varme og kalde molekyler, reduserer gassens entropi, bruker hans bevissthet energi, og den totale entropien til gass + demonsystemet øker uten å bryte termodynamikkens andre lov.
Forskning har vist at informasjon er en fysisk mengde - jo mer informasjon du har, jo mer arbeid kan du hente ut. Maxwells demon skaper arbeid fra gass ved en temperatur, fordi han har mye mer informasjon enn en vanlig observatør.
Det tok ytterligere et halvt århundre og kvantinformasjonsteoriens glansdag, et felt født av jakten på kvantecomputeren, for fysikere å studere i detalj de oppsiktsvekkende implikasjonene av Bennetts idé.
I løpet av det siste tiåret har fysikere antatt at energi reiser fra varme gjenstander til kalde gjenstander på grunn av en viss måte å spre informasjon mellom partikler på.
I følge kvanteteori er de fysiske egenskapene til partikler sannsynlige og partikler kan være i en superposisjon av tilstander. Når de samhandler, blir de viklet inn ved å kombinere sannsynlighetsfordelingene som beskriver tilstandene deres.
Den sentrale posisjonen i kvanteteorien er utsagnet om at informasjon aldri går tapt, det vil si at universets nåværende tilstand beholder all informasjon om fortiden. Imidlertid, over tid, når partiklene samvirker og blir mer og mer sammenfiltret, blir informasjon om deres individuelle tilstander blandet og fordelt på flere og flere partikler.
Koppen kaffe avkjøles til romtemperatur, fordi når kaffemolekyler kolliderer med luftmolekyler, blir informasjonen som koder for kaffenergien lekker ut, overført til den omkringliggende luften og går tapt i den.
Å forstå entropi som et subjektivt mål lar imidlertid universet som helhet utvikle seg uten tap av informasjon. Selv når entropien til deler av universet, for eksempel gasspartikler, kaffe, N + 1-lesere, vokser etter hvert som deres kvanteinformasjon går tapt i universet, forblir den globale entropien til universet alltid null.
Kvantumvarme motorer
Hvordan bruker jeg en dypere forståelse av kvantetermodynamikk for å bygge en varmemotor?
I 2012 ble Technological European Research Center for Quantum Thermodynamics opprettet og sysselsetter i dag over 300 forskere og ingeniører.
Senterets team håper å undersøke lovene som regulerer kvanteoverganger i kvantemotorer og kjøleskap som en dag kan kule datamaskiner eller brukes i solcellepaneler, bioingeniørarbeid og andre applikasjoner.
Forskere forstår allerede mye bedre enn før hva kvantemotorer er i stand til.
En varmemotor er en enhet som bruker et kvantearbeidsfluid og to reservoarer ved forskjellige temperaturer (varmeapparat og kjøler) for å trekke ut arbeid. Arbeid er overføring av energi fra motoren til en eller annen ekstern mekanisme uten å endre entropien til mekanismen.
På den annen side er varme utveksling av energi mellom arbeidsfluidet og reservoaret, noe som endrer entropien til reservoaret. Med en svak forbindelse mellom reservoaret og arbeidsfluidet, er varme relatert til temperatur og kan uttrykkes som dQ = TdS, hvor dS er endringen i reservoarantropien.
I en elementær kvantevarmemotor består arbeidsfluidet av en partikkel. En slik motor tilfredsstiller den andre loven og er derfor også begrenset av Carnot-effektivitetsgrensen.
Når arbeidsmediet bringes i kontakt med reservoaret, endres bestanden av energinivået i arbeidsmediet. Den definerende egenskapen til reservoaret er dens evne til å bringe arbeidsfluidet til en gitt temperatur, uavhengig av kroppens opprinnelige tilstand.
I dette tilfellet er temperatur en parameter for kvantetilstanden til systemet, og ikke et makroparameter, som i klassisk termodynamikk: vi kan snakke om temperatur som bestanden av energinivåer.
I prosessen med energiutveksling med reservoaret utveksler kroppen også entropi, derfor blir energiutveksling på dette stadiet betraktet som varmeoverføring.
Tenk for eksempel på kvante Otto-syklusen, der et to-nivå-system vil fungere som arbeidsfluid. I et slikt system er det to energinivåer, som hver kan befolkes; la energien til bakkenivået være E 1, og det eksiterte nivået E. Otto-syklusen består av 4 trinn:
I. Avstanden mellom nivåene E 1 og E 2 øker og blir Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Det er kontakt med varmeren, systemet varmes opp, det vil si at det øvre energinivået blir befolket og arbeidsvæskens entropi endres. Dette samspillet varer tid τ 1.
III. Det er en komprimering mellom nivåene E 1 og E 2, det vil si at det er arbeid med systemet, nå er avstandene mellom nivåene Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Kroppen bringes i kontakt med kjøleskapet i en tid τ 2, som gir den muligheten til å slappe av, for å tømme det øverste nivået. Det lavere nivået er nå fullstendig befolket.
Her kan vi ikke si noe om temperaturen på arbeidsvæsken, bare temperaturene på varmeren og kjøleskapet betyr noe. Det perfekte verket kan skrives som:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
hvor p 0 (1) er sannsynligheten for at arbeidsvæsken var i grunn (eksitert) tilstand. Effektiviteten til denne kvantet firetaktsmotoren er η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ottosyklus på et kvantet to-nivå-system.
For eksempel er det mulig å bygge en kvantemotor der en superledende qubit spiller rollen som et arbeidsfluid, og to normale motstander med forskjellige motstander brukes som varmeovn og kjøleskap.
Disse motstandene genererer støy som har en karakteristisk temperatur: stor støy - varmeapparat, lite - kjøleskap.
Riktig drift av en slik motor ble vist i arbeidet med forskere fra Aalto-universitetet i Finland.
I implementeringen av Otto-syklusen kan forskjellen mellom energinivåene moduleres med en konstant magnetisk fluks, det vil si "presse" eller "utvide" nivåene, og å slå på interaksjonen med reservoarene ble perfekt oppnådd ved korte mikrobølgesignaler.
I 2015 beregnet forskere ved det hebraiske universitetet i Jerusalem at slike kvantemotorer kunne utkonkurrere klassiske kolleger.
Disse sannsynlige motorene følger fortsatt Carnot-formelen for effektivitet når det gjelder hvor mye arbeid de kan hente ut fra energien som går mellom varme og kalde kropper. Men de klarer å hente arbeid mye raskere.
En enkeltionmotor ble eksperimentelt demonstrert og presentert i 2016, selv om den ikke brukte kvanteeffekter for å forsterke effekten.
Nylig ble det bygd en kvantumvarme-motor basert på kjernemagnetisk resonans, hvis effektivitet var veldig nær den ideelle ηCarnot.
Kvantevarmemotorer kan også brukes til å avkjøle både store og mikroskopiske systemer, for eksempel qubits i en kvantecomputer.
Å avkjøle et mikrosystem betyr å redusere populasjoner på spente nivåer og redusere entropi. Dette kan gjøres gjennom de samme termodynamiske syklusene som involverer varmeren og kjøleskapet, men kjører i motsatt retning.
I mars 2017 ble det publisert en artikkel der ved bruk av kvanteinformasjonsteori ble den tredje loven for termodynamikk avledet - en uttalelse om umuligheten av å nå absolutt null temperatur.
Forfatterne av artikkelen viste at begrensningen av kjølehastigheten, som forhindrer oppnåelse av absolutt null, oppstår fra begrensningen i hvor raskt informasjon kan pumpes ut av partikler i et objekt av endelig størrelse.
Fartsgrensen har mye å gjøre med kjøleegenskapene til kvantum-kjøleskap.
Kvantemotorers fremtid
Snart får vi se kvanteteknologiens storhetstid, og da kan kvantevarmemotorer hjelpe mye.
Det vil ikke fungere å bruke et kjøleskap til kjøling av mikrosystemer på grunn av uberegnelig drift - i gjennomsnitt er temperaturen i det lav, men lokalt kan den nå uakseptable verdier.
På grunn av den tette forbindelsen mellom kvantetermodynamikk og informasjon, er vi i stand til å bruke vår kunnskap (informasjon) til å utføre lokalt arbeid - for eksempel for å implementere kvantedemon Maxwell, ved å bruke flernivåsystemer, for å avkjøle (rense tilstanden) av qubits i en kvantecomputer.
For kvantemotorer i større skala er det for tidlig å hevde at en slik motor vil erstatte en forbrenningsmotor. Så langt har enkeltatommotorer for lav virkningsgrad.
Imidlertid er det intuitivt klart at når vi bruker et makroskopisk system med mange frihetsgrader, vil vi bare kunne trekke ut en liten del av det nyttige arbeidet, fordi et slikt system kun kan kontrolleres i gjennomsnitt. I konseptet kvantemotorer blir det mulig å kontrollere systemer mer effektivt.
For øyeblikket er det mange teoretiske og tekniske problemstillinger innen vitenskapen om nanoskala-varmemotorer. For eksempel er kvantumsvingninger et stort problem, som kan skape "kvantefriksjon", introdusere ekstra entropi og redusere effektiviteten til motoren.
Fysikere og ingeniører jobber nå aktivt med optimal kontroll av kvantearbeidsfluidet og opprettelsen av en nanheater og nanokjøler. Før eller siden vil kvantefysikk hjelpe oss med å lage en ny klasse med nyttige enheter.
Mikhail Perelstein
