Oamenii au învățat să construiască motoare cu combustie internă foarte puternice, dar nu au aflat principalul lucru - o creștere semnificativă a eficienței lor. Limita pe această cale este stabilită de a doua lege a termodinamicii, care afirmă că entropia unui sistem crește inevitabil. Dar este posibil să depășim această limită cu ajutorul fizicii cuantice? S-a dovedit că este posibil, dar pentru aceasta a fost necesar să înțelegem că entropia este subiectivă, iar căldura și munca sunt departe de singurele forme de energie posibile. Pentru mai multe informații despre ce sunt motoarele cuantice, cum sunt ele aranjate și de ce sunt capabile, citiți materialul nostru.
Peste 300 de ani de dezvoltare a tehnologiei de calcul, proiectare și proiectare a motoarelor, problema creării unei mașini cu un factor de eficiență ridicată nu a fost rezolvată, deși este critică pentru multe domenii ale științei și tehnologiei.
Fizica cuantică, descoperită la începutul secolului XX, ne-a prezentat deja multe surprize în lumea tehnologiei: teoria atomică, semiconductorii, laserele și, în sfârșit, calculatoarele cuantice. Aceste descoperiri se bazează pe proprietățile neobișnuite ale particulelor subatomice și anume, corelațiile cuantice între ele - un mod pur cuantic de schimb de informații.
Și se pare că fizica cuantică este gata să ne surprindă din nou: anii de dezvoltare a termodinamicii cuantice au permis fizicienilor să arate că motoarele de căldură cuantică pot avea o eficiență ridicată pe scări mici, inaccesibile mașinilor clasice.
Să aruncăm o privire la ce este termodinamica cuantică, cum funcționează motoarele termice, ce îmbunătățiri oferă fizica cuantică și ce trebuie făcut pentru a crea un motor eficient al viitorului.
Motoare de căldură clasice
În cartea sa din 1824, Reflections on the Motive Force of Fire, inginerul francez Sadi Carnot, în vârstă de 28 de ani, și-a dat seama cum motoarele cu abur pot transforma eficient căldura într-o muncă care face ca un piston să se miște sau o roată.
Video promotional:
Spre surprinderea lui Carnot, eficiența unui motor ideal depindea doar de diferența de temperatură dintre sursa de căldură a motorului (un încălzitor, de obicei un foc) și un radiator (un frigider, de obicei aer ambiant).
Carnot și-a dat seama că munca este un produs secundar al tranziției naturale a căldurii de la un corp cald la unul rece.
Schema de lucru a motorului termic.
La motoarele cu căldură se folosește ciclul următor. Căldura Q 1 este furnizată de la încălzitor cu temperatura t 1 fluidului de lucru, o parte din căldura Q 2 este scoasă la frigider cu temperatura t 2, t 1> t 2.
Lucrările efectuate de motorul de căldură sunt egale cu diferența dintre căldura furnizată și cea eliminată: A = Q 1 - Q 2, iar eficiența η va fi egală cu η = A / Q 1.
Carnot a arătat că eficiența oricărui motor termic nu poate depăși eficiența unui motor de căldură ideal care funcționează în ciclul său cu aceleași temperaturi ale încălzitorului și frigiderului ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Crearea unui motor de căldură eficientă este aproximarea maximă a realului Eficiența η la idealul ηCarnot.
Sadi Carnot a murit de holeră opt ani mai târziu - înainte să poată vedea cum, deja în secolul al XIX-lea, formula sa de eficiență s-a transformat în teoria termodinamicii clasice - un set de legi universale care se referă la temperatură, căldură, muncă, energie și entropie.
Termodinamica clasică descrie proprietățile statistice ale sistemelor prin reducerea microparametrelor, cum ar fi pozițiile și viteza particulelor, la macroparametre: temperatură, presiune și volum. Legile termodinamicii s-au dovedit aplicabile nu numai motoarelor cu aburi, ci și Soarelui, găurilor negre, viețuitoarelor și întregului Univers.
Această teorie este atât de simplă și de generală încât Albert Einstein credea că „ea nu va fi niciodată răsturnată”. Cu toate acestea, de la bun început, termodinamica a ocupat o poziție extrem de ciudată printre alte teorii ale universului.
„Dacă teoriile fizice ar fi umane, termodinamica ar fi o vrăjitoare a satului”, a scris fizicianul Lydia del Rio în urmă cu câțiva ani. "Alte teorii o consideră ciudată, diferită de restul, dar toată lumea vine la ea pentru sfaturi și nimeni nu îndrăznește să o contrazică".
Termodinamica nu a pretins niciodată a fi o metodă universală de analiză a lumii din jurul nostru, ci mai degrabă, este o modalitate de a folosi eficient această lume.
Termodinamica ne spune cum să profităm la maxim de resurse precum gazul fierbinte sau metalul magnetizat pentru a atinge obiective specifice, fie că este vorba de deplasarea unui tren sau de formatarea unui hard disk.
Versatilitatea sa provine din faptul că nu încearcă să înțeleagă detaliile microscopice ale sistemelor individuale, ci doar îi pasă să determine ce operații sunt ușor de implementat în aceste sisteme și care sunt dificile.
Această abordare poate părea ciudată oamenilor de știință, dar este folosită activ în fizică, informatică, economie, matematică și în multe alte locuri.
Una dintre cele mai ciudate caracteristici ale unei teorii este subiectivitatea regulilor sale. De exemplu, un gaz format din particule cu aceeași temperatură în medie are diferențe de temperatură microscopice la o inspecție mai atentă.
În ultimii ani, a apărut o înțelegere revoluționară a termodinamicii, care explică această subiectivitate prin teoria informațiilor cuantice, care descrie propagarea informației prin sisteme cuantice.
La fel cum termodinamica a apărut inițial din încercările de îmbunătățire a motoarelor cu aburi, termodinamica modernă descrie funcționarea mașinilor deja cuantice - nanoparticule controlate.
Pentru o descriere corectă, suntem obligați să extindem termodinamica la regiunea cuantică, unde concepte precum temperatura și munca își pierd sensul obișnuit, iar legile clasice ale mecanicii încetează să funcționeze.
Termodinamica cuantică
Nașterea termodinamicii cuantice
Într-o scrisoare din 1867 adresată colegului său scoțian Peter Tate, celebrul fizician James Clark Maxwell a formulat celebrul paradox care indică legătura dintre termodinamică și informații.
Paradoxul se referea la a doua lege a termodinamicii - regula conform căreia entropia crește întotdeauna. După cum a menționat mai târziu Sir Arthur Eddington, această regulă „ocupă o poziție dominantă printre legile naturii”.
Conform celei de-a doua legi, energia devine mai dezordonată și mai puțin utilă pe măsură ce călătorește de la corpurile calde la cele reci și diferențele de temperatură scad.
Și după cum ne amintim din descoperirea lui Carnot, este necesar un corp fierbinte și rece pentru a face lucrări utile. Incendiile se sting, cupele de cafea de dimineață se răcesc și universul se grăbește spre o stare de temperatură uniformă, cunoscută sub numele de moartea prin căldură a universului.
Marele fizician austriac Ludwig Boltzmann a arătat că creșterea entropiei este o consecință a legilor statisticilor matematice obișnuite: există multe mai multe modalități de a distribui uniform energia între particule decât pentru concentrația sa locală. Când particulele se mișcă, acestea tind în mod natural la stări de entropie mai mari.
Dar scrisoarea lui Maxwell descria un experiment de gândire în care o anumită ființă luminată - numită ulterior demonul lui Maxwell - își folosește cunoștințele pentru a reduce entropia și a încălca a doua lege.
Demonul atotputernic cunoaște poziția și viteza fiecărei molecule într-un recipient cu gaz. Împărțind recipientul în două jumătăți și deschizând și închizând ușa mică între cele două camere, demonul lasă doar molecule rapide într-o direcție și numai lent în celălalt.
Acțiunile demonului împart gazul în cald și rece, concentrându-și energia și reducând entropia totală. Un gaz cândva inutil cu o anumită temperatură medie poate fi folosit acum într-un motor de căldură.
Mulți ani, Maxwell și alții s-au întrebat cum legea naturii poate depinde de cunoașterea sau necunoașterea poziției și vitezei moleculelor. Dacă a doua lege a termodinamicii depinde subiectiv de aceste informații, atunci cum poate fi adevărul absolut?
Relația termodinamicii cu informația
Un secol mai târziu, fizicianul american Charles Bennett, bazându-se pe opera lui Leo Szilard și Rolf Landauer, a rezolvat paradoxul legând formal termodinamica de știința informației. Bennett a susținut că cunoștințele demonului sunt stocate în memoria sa, iar memoria trebuie curățată, ceea ce necesită muncă.
În 1961, Landauer a calculat că la temperatura camerei, un computer are nevoie de cel puțin 2,9 x 10-21 joule pentru a șterge un pic de informații stocate. Cu alte cuvinte, când un demon separă moleculele fierbinți și reci, reducând entropia gazului, conștiința lui consumă energie, iar entropia totală a sistemului gaz + demon crește fără a încălca a doua lege a termodinamicii.
Cercetările au arătat că informația este o cantitate fizică - cu cât aveți mai multe informații, cu atât puteți extrage mai multă muncă. Demonul lui Maxwell creează muncă din gaz la o temperatură, pentru că el are mult mai multe informații decât un observator obișnuit.
A fost nevoie de încă o jumătate de secol și în culmea teoriei informațiilor cuantice, un domeniu născut din urmărirea computerului cuantic, pentru ca fizicienii să studieze în detaliu implicațiile uluitoare ale ideii lui Bennett.
În ultimul deceniu, fizicienii au presupus că energia călătorește de la obiecte fierbinți la obiecte reci, datorită unui anumit mod de propagare a informațiilor între particule.
Conform teoriei cuantice, proprietățile fizice ale particulelor sunt probabilistice și particulele pot fi într-o superpoziție de stări. Atunci când interacționează, ei se împletesc prin combinarea distribuțiilor de probabilitate care descriu stările lor.
Poziția centrală a teoriei cuantice este afirmația că informația nu se pierde niciodată, adică starea actuală a Universului păstrează toate informațiile despre trecut. Cu toate acestea, în timp, pe măsură ce particulele interacționează și devin din ce în ce mai încurcate, informațiile despre stările lor individuale sunt amestecate și distribuite între tot mai multe particule.
Ceașca de cafea se răcește la temperatura camerei, deoarece atunci când moleculele de cafea se ciocnesc cu moleculele de aer, informațiile care codifică energia cafelei se scurg, sunt transmise aerului din jur și se pierd în ea.
Cu toate acestea, înțelegerea entropiei ca o măsură subiectivă permite Universului în ansamblu să se dezvolte fără pierderi de informații. Chiar și atunci când entropia unor părți ale Universului, de exemplu, particule de gaz, cafea, cititori N + 1, crește pe măsură ce informațiile lor cuantice se pierd în Univers, entropia globală a Universului rămâne întotdeauna zero.
Motoarele cu căldură cuantică
Cum, acum, folosind o înțelegere mai profundă a termodinamicii cuantice, pentru a construi un motor de căldură?
În 2012, a fost înființat Centrul European de Cercetare Tehnologică pentru Termodinamica Cuantică și angajează în prezent peste 300 de oameni de știință și ingineri.
Echipa centrului speră să investigheze legile care reglementează tranzițiile cuantice în motoarele cuantice și frigiderele care ar putea într-o zi să răcească calculatoare sau să fie utilizate în panouri solare, bioinginerie și alte aplicații.
Cercetătorii înțeleg deja mult mai bine decât înainte de ce sunt capabile motoarele cuantice.
Un motor de căldură este un dispozitiv care folosește un fluid de lucru cuantic și două rezervoare la temperaturi diferite (încălzitor și răcitor) pentru a extrage munca. Munca este transferul de energie de la motor la un mecanism extern, fără a schimba entropia mecanismului.
Pe de altă parte, căldura este schimbul de energie între fluidul de lucru și rezervor, ceea ce modifică entropia rezervorului. Cu o conexiune slabă între rezervor și fluidul de lucru, căldura este asociată cu temperatura și poate fi exprimată ca dQ = TdS, unde dS este modificarea entropiei rezervorului.
Într-un motor elementar de căldură cuantic, fluidul de lucru este format dintr-o particulă. Un astfel de motor satisface a doua lege și, prin urmare, este limitat și de limita de eficiență Carnot.
Când mediul de lucru este pus în contact cu rezervorul, populația nivelului de energie se schimbă în mediul de lucru. Proprietatea definitorie a rezervorului este capacitatea acestuia de a aduce fluidul de lucru la o temperatură dată, indiferent de starea inițială a corpului.
În acest caz, temperatura este un parametru al stării cuantice a sistemului, și nu un macroparametru, ca în termodinamica clasică: putem vorbi de temperatură ca populație a nivelurilor de energie.
În procesul de schimb de energie cu rezervorul, organismul schimbă și entropie, prin urmare, schimbul de energie în acest stadiu este considerat transfer de căldură.
De exemplu, luați în considerare ciclul cuantic Otto, în care un sistem pe două niveluri va acționa ca un fluid de lucru. Într-un astfel de sistem, există două niveluri de energie, fiecare putând fi populat; lasa ca nivelul solului sa fie E 1, iar nivelul excitat E 2. Ciclul Otto este format din 4 etape:
I. Distanța dintre nivelurile E 1 și E 2 crește și devine Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Există contact cu încălzitorul, sistemul se încălzește, adică nivelul de energie superior este populat și se schimbă entropia fluidului de lucru. Această interacțiune durează timpul τ 1.
III. Există o compresie între nivelurile E 1 și E 2, adică se lucrează la sistem, acum distanțele dintre niveluri sunt Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Corpul este pus în contact cu frigiderul pentru un timp τ 2, ceea ce îi oferă posibilitatea de a se relaxa, de a goli nivelul superior. Nivelul inferior este acum complet populat.
Aici nu putem spune nimic despre temperatura fluidului de lucru, doar temperaturile încălzitorului și frigiderului contează. Opera perfectă poate fi scrisă ca:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
unde p 0 (1) este probabilitatea ca fluidul de lucru să fie în stare de pământ (excitat). Eficiența acestui motor cuantic în patru timpi este η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ciclul Otto pe un sistem cuantic pe două niveluri.
De exemplu, este posibil să se construiască un motor cuantic în care un qubit supraconductor joacă rolul unui fluid de lucru și două rezistențe normale cu rezistențe diferite sunt folosite ca încălzitor și frigider.
Aceste rezistențe generează zgomot care are o temperatură caracteristică: zgomot mare - încălzitor, mic - frigider.
Funcționarea corectă a unui astfel de motor a fost arătată în activitatea oamenilor de știință de la Universitatea Aalto din Finlanda.
În implementarea ciclului Otto, diferența dintre nivelurile de energie poate fi modulată cu un flux magnetic constant, adică „stoarce” sau „extinde” nivelurile, iar pornirea interacțiunii cu rezervoarele a fost excelent obținută prin semnale scurte de microunde.
În 2015, oamenii de știință de la Universitatea ebraică din Ierusalim au calculat că astfel de motoare cuantice pot depăși omologii clasici.
Aceste motoare probabiliste urmează încă formula Carnot pentru eficiență în ceea ce privește cât de multă muncă pot extrage din energia care trece între corpurile calde și reci. Dar sunt capabili să recupereze munca mult mai repede.
Un motor cu un singur ion a fost demonstrat experimental și prezentat în 2016, deși nu a utilizat efecte cuantice pentru a amplifica puterea.
Recent, a fost construit un motor cu căldură cuantic bazat pe rezonanță magnetică nucleară, a cărui eficiență a fost foarte aproape de idealul ηCarnot.
Motoarele cu căldură cuantică pot fi, de asemenea, utilizate pentru a răci atât sisteme mari, cât și microscopice, cum ar fi qubit-urile dintr-un computer cuantic.
Răcirea unui microsistem înseamnă scăderea populației la niveluri excitate și scăderea entropiei. Acest lucru se poate face prin aceleași cicluri termodinamice care implică încălzitorul și frigiderul, dar care circulă în sens invers.
În martie 2017, a fost publicat un articol în care, folosind teoria informațiilor cuantice, a fost derivată a treia lege a termodinamicii - o afirmație despre imposibilitatea atingerii temperaturii zero absolute.
Autorii articolului au arătat că limitarea vitezei de răcire, care împiedică realizarea zeroului absolut, rezultă din limitarea cât de rapid poate fi pompată informația din particule într-un obiect de mărime finită.
Limita de viteză are foarte multe de-a face cu capacitățile de răcire ale frigiderelor cuantice.
Viitorul motoarelor cuantice
În curând, vom vedea înălțimea tehnologiilor cuantice, iar motoarele de căldură cuantice pot ajuta mult.
Nu va funcționa să folosească un frigider de bucătărie pentru a răci microsistemele datorită funcționării sale neregulate - în medie, temperatura din acesta este scăzută, dar local poate atinge valori inacceptabile.
Datorită legăturii strânse a termodinamicii cuantice cu informațiile, suntem capabili să ne folosim cunoștințele (informațiile) pentru a efectua lucrări locale - de exemplu, pentru a implementa demonul cuantic Maxwell folosind sisteme cu mai multe niveluri pentru a răci (purifica starea) qubits într-un computer cuantic.
În ceea ce privește motoarele cuantice la o scară mai mare, este prea devreme să argumentăm că un astfel de motor va înlocui un motor cu ardere internă. Până în prezent, motoarele cu un singur atom au o eficiență prea mică.
Cu toate acestea, este intuitiv clar că atunci când utilizăm un sistem macroscopic cu multe grade de libertate, vom putea extrage doar o mică parte din lucrarea utilă, deoarece un astfel de sistem poate fi controlat doar în medie. În concepția motoarelor cuantice, devine posibilă controlarea sistemelor mai eficient.
În prezent, există multe probleme teoretice și de inginerie în știința motoarelor de căldură la nano-scală. De exemplu, fluctuațiile cuantice sunt o mare problemă, care poate crea „frecare cuantică”, introducând o entropie suplimentară și reducând eficiența motorului.
Fizicienii și inginerii lucrează acum activ la controlul optim al fluidului de lucru cuantic și la crearea unui nanheater și nanocooler. Mai devreme sau mai târziu, fizica cuantică ne va ajuta să creăm o nouă clasă de dispozitive utile.
Mikhail Perelstein
