Ľudia sa naučili stavať veľmi výkonné spaľovacie motory, ale nenaučili sa to hlavné - výrazné zvýšenie ich účinnosti. Hranica na tejto ceste je stanovená druhým termodynamickým zákonom, ktorý uvádza, že entropia systému sa nevyhnutne zvyšuje. Je však možné tento limit prekonať pomocou kvantovej fyziky? Ukázalo sa, že je to možné, ale z tohto dôvodu bolo potrebné pochopiť, že entropia je subjektívna a teplo a práca nie sú ani zďaleka jediné možné formy energie. Pre viac informácií o tom, aké kvantové motory sú, ako sú usporiadané a čo sú schopné, si prečítajte náš materiál.
Za 300 rokov vývoja technológie výpočtu, konštrukcie a konštrukcie motorov sa problém s vytvorením stroja s vysokým faktorom efektívnosti nevyriešil, hoci je to pre mnohé oblasti vedy a techniky kritické.
Kvantová fyzika, objavená na začiatku 20. storočia, nám už priniesla mnohé prekvapenia vo svete technológií: atómová teória, polovodiče, lasery a nakoniec aj kvantové počítače. Tieto objavy sú založené na neobvyklých vlastnostiach subatomárnych častíc, konkrétne na kvantových koreláciách medzi nimi - čisto kvantovom spôsobe výmeny informácií.
A zdá sa, že kvantová fyzika je pripravená nás znova prekvapiť: roky vývoja kvantovej termodynamiky umožnili fyzikom ukázať, že kvantové tepelné motory môžu mať vysokú účinnosť na malom meradle, ktorá je pre klasické stroje neprístupná.
Pozrime sa, čo je kvantová termodynamika, ako fungujú tepelné motory, aké zlepšenia poskytuje kvantová fyzika a čo je potrebné urobiť, aby sme vytvorili efektívny motor budúcnosti.
Klasické tepelné motory
28-ročný francúzsky inžinier Sadi Carnot vo svojej knihe z roku 1824 (Reflections on the Motive Force of Fire) prišiel na to, ako môžu parné motory efektívne prevádzať teplo na prácu, ktorá spôsobuje pohyb piestu alebo otáčanie kolesa.
Propagačné video:
Pre Carnotovo prekvapenie závisí účinnosť ideálneho motora iba od teplotného rozdielu medzi tepelným zdrojom motora (ohrievač, zvyčajne oheň) a chladičom (chladnička, zvyčajne okolitý vzduch).
Carnot si uvedomil, že práca je vedľajším produktom prirodzeného prechodu tepla z horúceho do studeného tela.
Schéma práce tepelného motora.
V tepelných motoroch sa používa nasledujúci cyklus. Teplo Q1 sa dodáva z ohrievača s teplotou t 1 do pracovnej tekutiny, časť tepla Q2 sa odvádza do chladničky s teplotou t2, t1> t2.
Práca vykonaná tepelným motorom sa rovná rozdielu medzi dodávaným a odvádzaným teplom: A = Q 1 - Q 2 a účinnosť η sa rovná η = A / Q 1.
Carnot ukázal, že účinnosť ktoréhokoľvek tepelného motora nemôže prekročiť účinnosť ideálneho tepelného motora pracujúceho v jeho cykle s rovnakými teplotami ohrievača a chladničky ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Vytvorenie účinného tepelného motora je maximálna aproximácia skutočného Účinnosť η na ideálne ηCarnot.
Sadi Carnot zomrel o choleru o osem rokov neskôr - predtým, ako videl, ako sa už v 19. storočí jeho vzorec účinnosti zmenil na teóriu klasickej termodynamiky - súbor univerzálnych zákonov spájajúcich teplotu, teplo, prácu, energiu a entropiu.
Klasická termodynamika opisuje štatistické vlastnosti systémov redukciou mikroparametrov, ako sú polohy a rýchlosti častíc, na makroparametre: teplota, tlak a objem. Zákony termodynamiky sa ukázali byť uplatniteľné nielen na parné stroje, ale aj na slnko, čierne diery, živé veci a celý vesmír.
Táto teória je taká jednoduchá a všeobecná, že Albert Einstein veril, že „nikdy nebude zvrhnutá“. Od samého začiatku však termodynamika zaujímala mimoriadne podivné postavenie medzi ostatnými teóriami vesmíru.
„Keby boli fyzikálne teórie ľudské, termodynamika by bola dedinskou čarodejnicou,“napísala fyzik Lydia del Rio pred niekoľkými rokmi. „Iné teórie ju považujú za čudné, odlišné od ostatných, ale každý k nej prichádza kvôli radu a nikto sa jej neodváži protirečiť.“
Termodynamika nikdy netvrdila, že je univerzálnou metódou na analyzovanie sveta okolo nás, skôr je to spôsob, ako tento svet efektívne využívať.
Termodynamika nám hovorí, ako čo najlepšie využiť zdroje ako horúci plyn alebo magnetizovaný kov na dosiahnutie konkrétnych cieľov, či už ide o pohyb vlaku alebo formátovanie pevného disku.
Jeho univerzálnosť vyplýva zo skutočnosti, že sa nesnaží porozumieť mikroskopickým detailom jednotlivých systémov, ale zaujíma sa iba o to, ktoré operácie sa v týchto systémoch dajú ľahko implementovať a ktoré sú ťažké.
Vedcom sa tento prístup môže zdať čudný, ale aktívne sa používa vo fyzike, informatike, ekonómii, matematike a na mnohých ďalších miestach.
Jednou z najpodivnejších čŕt teórie je subjektivita jej pravidiel. Napríklad plyn zložený z častíc s rovnakou teplotou má pri bližšej kontrole mikroskopické teplotné rozdiely.
V posledných rokoch sa objavilo revolučné chápanie termodynamiky, ktoré vysvetľuje túto subjektivitu pomocou teórie kvantovej informácie, ktorá popisuje šírenie informácií pomocou kvantových systémov.
Rovnako ako termodynamika pôvodne vyrástla zo pokusov o zdokonalenie parných motorov, moderná termodynamika opisuje činnosť už kvantovo riadených nanočastíc riadených strojmi.
Pre správny popis sme nútení rozšíriť termodynamiku do kvantovej oblasti, kde pojmy ako teplota a práca strácajú svoj obvyklý význam a klasické zákony mechaniky prestávajú fungovať.
Kvantová termodynamika
Zrod kvantovej termodynamiky
V liste z roku 1867 jeho škótskemu kolegovi Petrovi Tateovi slávny fyzik James Clark Maxwell sformuloval slávny paradox, naznačujúci spojenie medzi termodynamikou a informáciami.
Paradox sa týkal druhého termodynamického zákona - pravidlo, ktoré entropiu vždy zvyšuje. Ako neskôr poznamenal Sir Arthur Eddington, toto pravidlo „zaujíma dominantné postavenie medzi zákonmi prírody“.
Podľa druhého zákona sa energia stáva neusporiadanejšou a menej užitočnou, pretože prechádza z horúcich na chladné telá a rozdiely v poklese teploty.
A ako si pamätáme z Carnotovho objavu, na vykonanie užitočnej práce je potrebné teplé a studené telo. Požiare zhasnú, ranné kávové šálky sa ochladia a vesmír sa ponáhľa do stavu jednotnej teploty známej ako tepelná smrť vesmíru.
Veľký rakúsky fyzik Ludwig Boltzmann ukázal, že nárast entropie je dôsledkom zákonov bežnej matematickej štatistiky: existuje oveľa viac spôsobov, ako rovnomerne rozdeliť energiu medzi časticami, ako je to v prípade lokálnej koncentrácie. Keď sa častice pohybujú, prirodzene majú sklon k vyšším entropickým stavom.
Maxwellov list však opísal myšlienkový experiment, v ktorom určitá osvietená bytosť - neskôr nazývaná Maxwellovým démonom - využíva svoje vedomosti na zníženie entropie a porušenie druhého zákona.
Všemohúci démon pozná polohu a rýchlosť každej molekuly v nádobe na plyn. Rozdelením kontajnera na dve polovice a otvorením a zatvorením malých dverí medzi dvoma komorami démon umožňuje iba rýchle molekuly v jednom smere a iba v druhých pomaly.
Démonove akcie rozdeľujú plyn na horúci a studený, sústreďujú svoju energiu a znižujú celkovú entropiu. V tepelnom motore je teraz možné použiť kedysi nepotrebný plyn s určitou priemernou teplotou.
Po mnoho rokov sa Maxwell a ďalší pýtali, ako môže zákon prírody závisieť od poznania alebo nepoznania polohy a rýchlosti molekúl. Ak je druhý zákon termodynamiky subjektívne závislý od tejto informácie, ako potom môže byť absolútna pravda?
Vzťah termodynamiky k informáciám
O storočie neskôr americký fyzik Charles Bennett, ktorý čerpal z diel Leo Szilarda a Rolfa Landauera, vyriešil paradox formálnym prepojením termodynamiky s vedou o informáciách. Bennett tvrdil, že démonove vedomosti sú uložené v jeho pamäti a pamäť sa musí vyčistiť, čo si vyžaduje prácu.
V roku 1961 vypočítal Landauer, že pri izbovej teplote potrebuje počítač aspoň 2,9 x 10 - 21 joulov na vymazanie jedného bitu uložených informácií. Inými slovami, keď démon oddeľuje horúce a studené molekuly, znižuje entropiu plynu, jeho vedomie spotrebúva energiu a celková entropia systému + démon sa zvyšuje bez porušenia druhého termodynamického zákona.
Výskum ukázal, že informácie sú fyzické množstvá - čím viac informácií máte, tým viac práce môžete extrahovať. Maxwellov démon vytvára prácu z plynu pri jednej teplote, pretože má oveľa viac informácií ako obyčajný pozorovateľ.
Trvalo ďalšie polstoročie a rozkvet teórie kvantovej informácie, ktorá sa zrodila v snahe kvantového počítača, fyzikom podrobne študovali prekvapujúce dôsledky Bennettovho nápadu.
Počas posledného desaťročia fyzici predpokladali, že energia putuje z horúcich predmetov do studených objektov kvôli určitému spôsobu šírenia informácií medzi časticami.
Podľa kvantovej teórie sú fyzikálne vlastnosti častíc pravdepodobnostné a častice môžu byť v superpozícii stavov. Keď interagujú, stávajú sa zapletené spojením rozdelení pravdepodobností popisujúcich ich stavy.
Ústrednou pozíciou kvantovej teórie je vyhlásenie, že informácie sa nikdy nestratia, to znamená, že súčasný stav vesmíru si uchováva všetky informácie o minulosti. Avšak v priebehu času, keď častice interagujú a stávajú sa viac a viac zapletené, informácie o ich jednotlivých stavoch sú zmiešané a distribuované medzi stále viac častíc.
Šálka kávy sa ochladzuje na izbovú teplotu, pretože keď sa molekuly kávy zrážajú s molekulami vzduchu, informácie, ktoré kódujú energiu kávy, unikajú von, prenášajú sa do okolitého vzduchu a stráca sa v nich.
Pochopenie entropie ako subjektívneho opatrenia však umožňuje rozvíjať vesmír ako celok bez straty informácií. Aj keď entropia častí vesmíru, napríklad častíc plynu, kávy, čitateľov N + 1, rastie, keď sa vo vesmíre strácajú ich kvantové informácie, globálna entropia vesmíru zostáva vždy nula.
Kvantové tepelné motory
Ako teraz pomocou hlbšieho pochopenia kvantovej termodynamiky postaviť tepelný motor?
V roku 2012 bolo zriadené Technologické európske výskumné centrum pre kvantovú termodynamiku, ktoré v súčasnosti zamestnáva vyše 300 vedcov a inžinierov.
Tím centra dúfa, že bude skúmať zákony upravujúce kvantové prechody v kvantových motoroch a chladničkách, ktoré by sa jedného dňa mohli ochladiť v počítači alebo použiť v solárnych paneloch, bioinžinierstve a ďalších aplikáciách.
Vedci už rozumejú oveľa lepšie ako predtým, čo sú kvantové motory schopné.
Tepelný motor je zariadenie, ktoré využíva kvantovú pracovnú tekutinu a dva zásobníky pri rôznych teplotách (ohrievač a chladič) na extrahovanie práce. Práca je prenos energie z motora do nejakého vonkajšieho mechanizmu bez zmeny entropie mechanizmu.
Na druhej strane teplo je výmena energie medzi pracovnou tekutinou a nádržou, ktorá mení entropiu nádrže. Pri slabom spojení medzi nádržou a pracovnou tekutinou je teplo spojené s teplotou a môže byť vyjadrené ako dQ = TdS, kde dS je zmena entropie nádrže.
V elementárnom kvantovom tepelnom motore pozostáva pracovná tekutina z jednej častice. Taký motor vyhovuje druhému zákonu, a preto je tiež obmedzený limitom účinnosti podľa Carnota.
Keď sa pracovné médium dostane do kontaktu s rezervoárom, populácia hladín energie sa zmení v pracovnom médiu. Definujúcou vlastnosťou nádrže je jej schopnosť privádzať pracovnú tekutinu na danú teplotu, bez ohľadu na počiatočný stav tela.
V tomto prípade je teplota parametrom kvantového stavu systému, a nie makroparameterom, ako je to v klasickej termodynamike: môžeme hovoriť o teplote ako o populácii energetických úrovní.
V procese výmeny energie so zásobníkom telo tiež vymieňa entropiu, preto sa výmena energie v tejto fáze považuje za prenos tepla.
Zoberme si napríklad kvantový Ottov cyklus, v ktorom dvojúrovňový systém bude pôsobiť ako pracovná tekutina. V takom systéme existujú dve úrovne energie, z ktorých každá môže byť naplnená; energia úrovne zeme musí byť E 1 a vzrušená úroveň E 2. Ottov cyklus pozostáva zo 4 stupňov:
I. Vzdialenosť medzi úrovňami El a E2 sa zväčšuje a stáva sa A 1 = E1 - E2.
II. Vyskytuje sa kontakt s ohrievačom, systém sa zahrieva, to znamená, že je naplnená horná hladina energie a mení sa entropia pracovnej tekutiny. Táto interakcia trvá čas 1.
III. Medzi úrovňami El a E2 je kompresia, to znamená, že v systéme je práca, teraz sú vzdialenosti medzi úrovňami A2 = E1 - E2.
IV. Telo sa na čas dostane do kontaktu s chladničkou τ 2, čo mu umožňuje relaxovať a vyprázdniť hornú úroveň. Spodná úroveň je teraz naplnená.
Tu nemôžeme nič povedať o teplote pracovnej tekutiny, iba o teplotách ohrievača a chladničky. Dokonalú prácu možno písať ako:
dW = (p 0 (τ 1) - pi (τ 2)) (A 1 - A 2), (1)
kde p 0 (1) je pravdepodobnosť, že pracovná tekutina bola v zemnom (excitovanom) stave. Účinnosť tohto kvantového štvortaktného motora je η = 1 - Δ1 / Δ2.
Ottov cyklus na kvantovom dvojúrovňovom systéme.
Napríklad je možné postaviť kvantový motor, v ktorom supravodivý qubit zohráva úlohu pracovnej tekutiny a ako ohrievač a chladnička sa používajú dva normálne odpory s rôznymi odpormi.
Tieto odpory generujú hluk, ktorý má charakteristickú teplotu: veľký hluk - ohrievač, malý - chladnička.
Správna prevádzka takéhoto motora bola preukázaná v práci vedcov z Aalto University vo Fínsku.
Pri vykonávaní Ottovho cyklu môže byť rozdiel medzi energetickými hladinami modulovaný konštantným magnetickým tokom, to znamená „stlačiť“alebo „rozšíriť“úrovne a zapnutie interakcie so zásobníkmi bolo vynikajúco získané krátkymi mikrovlnnými signálmi.
V roku 2015 vedci na hebrejskej univerzite v Jeruzaleme vypočítali, že také kvantové motory by mohli prekonať klasické náprotivky.
Tieto pravdepodobnostné motory stále dodržiavajú Carnotov vzorec z hľadiska účinnosti, pokiaľ ide o to, koľko práce môžu extrahovať z energie prechádzajúcej medzi horúcimi a studenými telesami. Sú však schopní získať prácu oveľa rýchlejšie.
Jedno iónový motor bol experimentálne demonštrovaný a predstavený v roku 2016, hoci na zosilnenie výkonu nepoužil kvantové efekty.
Nedávno bol postavený kvantový tepelný motor založený na jadrovej magnetickej rezonancii, ktorého účinnosť bola veľmi blízko ideálnej ηCarnot.
Kvantové tepelné motory sa môžu tiež používať na chladenie veľkých aj mikroskopických systémov, ako sú qubity v kvantovom počítači.
Ochladenie mikrosystému znamená zníženie populácií na vzrušených úrovniach a zníženie entropie. To sa dá urobiť pomocou rovnakých termodynamických cyklov zahrňujúcich ohrievač a chladničku, ale beží v opačnom smere.
V marci 2017 bol publikovaný článok, v ktorom sa pomocou kvantovej informačnej teórie odvodil tretí zákon termodynamiky - tvrdenie, že nebolo možné dosiahnuť absolútnu nulovú teplotu.
Autori článku ukázali, že obmedzenie rýchlosti chladenia, ktoré bráni dosiahnutiu absolútnej nuly, vyplýva z obmedzenia toho, ako rýchlo môžu byť informácie čerpané z častíc v objeme konečnej veľkosti.
Rýchlostný limit má veľa spoločného s chladiacimi schopnosťami kvantových chladničiek.
Budúcnosť kvantových motorov
Čoskoro uvidíme rozkvet kvantových technológií a potom kvantové tepelné motory môžu veľmi pomôcť.
Na chladenie mikrosystémov nebude fungovať kuchynská chladnička kvôli jej nevyspytateľnej činnosti - v priemere je teplota v nej nízka, ale lokálne môže dosiahnuť neprijateľné hodnoty.
Kvôli úzkemu prepojeniu kvantovej termodynamiky s informáciami sme schopní využiť naše vedomosti (informácie) na vykonávanie miestnej práce - napríklad na implementáciu kvantového démona Maxwella pomocou viacúrovňových systémov na ochladenie (vyčistenie stavu) kriviek v kvantovom počítači.
Pokiaľ ide o kvantové motory vo väčšom meradle, je priskoro tvrdiť, že takýto motor nahradí spaľovací motor. Zatiaľ majú jednoatómové motory príliš nízku účinnosť.
Je však intuitívne jasné, že ak použijeme makroskopický systém s mnohými stupňami voľnosti, dokážeme získať iba malú časť užitočnej práce, pretože takýto systém je možné ovládať iba v priemere. V koncepcii kvantových motorov je možné účinnejšie riadiť systémy.
V súčasnosti existuje veľa teoretických a inžinierskych problémov vo vede tepelných motorov s nanomateriálmi. Napríklad, kvantové fluktuácie sú veľkým problémom, ktorý môže spôsobiť „kvantové trenie“, zavedenie extra entropie a zníženie účinnosti motora.
Fyzici a inžinieri v súčasnosti aktívne pracujú na optimálnom riadení kvantovej pracovnej tekutiny a vytvorení nanoohrievača a nanokladiča. Kvantová fyzika nám skôr alebo neskôr pomôže vytvoriť novú triedu užitočných zariadení.
Michail Perelstein