Folk har lært at bygge meget kraftige forbrændingsmotorer, men de har ikke lært det vigtigste - en betydelig stigning i deres effektivitet. Grænsen på denne vej er sat ved den anden lov om termodynamik, der siger, at entropien af et system uundgåeligt øges. Men er det muligt at overvinde denne grænse ved hjælp af kvantefysik? Det viste sig, at det er muligt, men for dette var det nødvendigt at forstå, at entropi er subjektiv, og varme og arbejde er langt fra de eneste mulige energiformer. Læs vores materiale for mere information om, hvad kvantemotorer er, hvordan de er arrangeret og hvad de er i stand til.
Over 300 års udvikling af teknologi til beregning, design og design af motorer, er problemet med at skabe en maskine med en høj effektivitetsfaktor ikke løst, skønt det er kritisk for mange områder af videnskab og teknologi.
Kvantefysik, der blev opdaget i begyndelsen af det 20. århundrede, har allerede præsenteret os for mange overraskelser i teknologiens verden: atomteori, halvledere, lasere og endelig kvantecomputere. Disse opdagelser er baseret på de usædvanlige egenskaber ved subatomære partikler, nemlig kvantekorrelationer mellem dem - en rent kvante måde at udveksle information på.
Og det ser ud til, at kvantefysik er klar til at overraske os igen: År med udvikling af kvantetermodynamik har gjort det muligt for fysikere at vise, at kvantevarmemotorer kan have stor effektivitet i små skalaer, utilgængelige for klassiske maskiner.
Lad os tage et kig på, hvad kvantetermodynamik er, hvordan varmemotorer fungerer, hvilke forbedringer kvantefysik giver, og hvad der skal gøres for at skabe en effektiv fremtidens motor.
Klassiske varmemotorer
I sin bog fra 1824 Reflections on the Motive Force of Fire regnede den 28 år gamle franske ingeniør Sadi Carnot ud af, hvordan dampmaskiner effektivt kan konvertere varme til arbejde, der får et stempel til at bevæge sig eller dreje et hjul.
Salgsfremmende video:
Til Carnons overraskelse afhang effektiviteten af en ideel motor kun af temperaturforskellen mellem motorens varmekilde (en varmeapparat, normalt en ild) og en køleplade (et køleskab, normalt omgivelsesluft).
Carnot indså, at arbejde er et biprodukt af den naturlige overgang af varme fra en varm til en kold krop.
Arbejdsplanen for varmemotoren.
I varmemotorer bruges følgende cyklus. Varme Q 1 tilføres fra varmeapparatet med temperatur t 1 til arbejdsvæsken, en del af varmen Q2 fjernes til køleskabet med temperatur t2, t1> t 2.
Arbejdet, der udføres af varmemotoren, er lig med forskellen mellem den leverede og fjernede varme: A = Q 1 - Q 2, og effektiviteten η vil være lig med η = A / Q 1.
Carnot viste, at effektiviteten af enhver varmemotor ikke kan overstige effektiviteten af en ideel varmemotor, der kører i dens cyklus med de samme temperaturer som varmeapparatet og køleskabet ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Oprettelsen af en effektiv varmemotor er den maksimale tilnærmelse af den virkelige Effektivitet η til ideel ηCarnot.
Sadi Carnot døde af kolera otte år senere - inden han kunne se, hvordan hans formel for effektivitet allerede i det 19. århundrede blev en teori om klassisk termodynamik - et sæt universelle love, der forbinder temperatur, varme, arbejde, energi og entropi.
Klassisk termodynamik beskriver systemernes statistiske egenskaber ved at reducere mikroparametre, såsom partiklernes placering og hastighed, til makroparametre: temperatur, tryk og volumen. Termodynamikens love viste sig at være gældende ikke kun for dampmaskiner, men også for Solen, sorte huller, levende ting og hele universet.
Denne teori er så enkel og generel, at Albert Einstein troede, at den "aldrig vil blive styrtet." Men helt fra begyndelsen indtog termodynamikken en ekstremt mærkelig position blandt andre universets teorier.
”Hvis fysiske teorier var menneskelige, ville termodynamik være en landsbyheks,” skrev fysiker Lydia del Rio for et par år siden. "Andre teorier finder hende underlig, anderledes end resten, men alle kommer til hende for at få råd, og ingen tør modsige hende."
Termodynamik har aldrig hævdet at være en universel metode til analyse af verdenen omkring os, snarere er det en måde at effektivt bruge denne verden på.
Termodynamik fortæller os, hvordan vi kan få mest muligt ud af ressourcer som varm gas eller magnetiseret metal for at nå specifikke mål, hvad enten det er at flytte et tog eller formatere en harddisk.
Dets alsidighed kommer fra det faktum, at det ikke forsøger at forstå de mikroskopiske detaljer i individuelle systemer, men kun bekymrer sig om at bestemme, hvilke operationer der er lette at implementere i disse systemer, og hvilke der er vanskelige.
Denne fremgangsmåde kan virke mærkelig for forskere, men den bruges aktivt inden for fysik, datalogi, økonomi, matematik og mange andre steder.
Et af de underligste træk ved en teori er subjektiviteten af dens regler. For eksempel har en gas, der består af partikler med den samme temperatur i gennemsnit mikroskopiske temperaturforskelle ved nærmere undersøgelse.
I de senere år er der kommet en revolutionerende forståelse af termodynamik, der forklarer denne subjektivitet gennem kvanteinformationsteori, der beskriver udbredelsen af information gennem kvantesystemer.
Ligesom termodynamik oprindeligt voksede ud af forsøg på at forbedre dampmaskiner, beskriver moderne termodynamik driften af allerede kvantemaskiner - kontrollerede nanopartikler.
For en korrekt beskrivelse er vi tvunget til at udvide termodynamik til kvanteområdet, hvor begreber som temperatur og arbejde mister deres sædvanlige betydning, og mekanikernes klassiske love ophører med at arbejde.
Kvantetermodynamik
Fødsel af kvantetermodynamik
I et brev dateret 1867 til sin skotske kollega Peter Tate formulerede den berømte fysiker James Clark Maxwell det berømte paradoks og antydede forbindelsen mellem termodynamik og information.
Paradokset vedrørte den anden lov om termodynamik - reglen om, at entropi altid øges. Som Sir Arthur Eddington senere bemærkede, indtager denne regel "en dominerende stilling blandt naturlovene."
I henhold til den anden lov bliver energi mere forstyrret og mindre nyttig, da den bevæger sig fra varme til kolde kroppe, og forskellene i temperatur falder.
Og som vi husker fra Carnot's opdagelse, kræves en varm og kold krop til at udføre nyttigt arbejde. Brande slukker, morgenkaffekopper køles ned, og universet skynder sig mod en tilstand af ensartet temperatur kendt som universets varmedød.
Den store østrigske fysiker Ludwig Boltzmann viste, at stigningen i entropi er en konsekvens af lovene i almindelig matematisk statistik: der er mange flere måder at jævnt fordele energi mellem partikler end for dens lokale koncentration. Når partikler bevæger sig, har de naturligvis en tendens til højere entropistilstand.
Men Maxwells brev beskrev et tankeeksperiment, hvor et bestemt oplyst væsen - senere kaldet Maxwells dæmon - bruger sin viden til at reducere entropi og overtræde den anden lov.
Den almægtige dæmon kender placeringen og hastigheden af hvert molekyle i en gasbeholder. Ved at opdele beholderen i to halvdele og åbne og lukke den lille dør mellem de to kamre lader dæmonen kun hurtige molekyler i den ene retning og kun langsomme dem i den anden.
Demonens handlinger opdeler gassen i varmt og koldt, koncentrerer dets energi og reducerer den totale entropi. En gang ubrugelig gas med en bestemt gennemsnitstemperatur kan nu bruges i en varmemotor.
I mange år spekulerede Maxwell og andre på, hvordan naturloven kunne afhænge af at kende eller ikke kende molekylers placering og hastighed. Hvis den anden lov om termodynamik er subjektivt afhængig af denne information, hvordan kan det da være absolut sandhed?
Forhold mellem termodynamik og information
Et århundrede senere løste den amerikanske fysiker Charles Bennett ved at trække på Leo Szilards og Rolf Landauer's arbejde paradokset ved formelt at forbinde termodynamik med informationsvidenskaben. Bennett argumenterede for, at dæmons viden er gemt i hans hukommelse, og hukommelsen skal ryddes, hvilket kræver arbejde.
I 1961 beregnet Landauer, at en computer har brug for mindst 2,9 x 10-21 joule ved stuetemperatur for at slette en bit lagret information. Med andre ord, når dæmonen adskiller varme og kolde molekyler og reducerer gasens entropi, bruger hans bevidsthed energi, og den samlede entropi af gas + dæmonsystemet stiger uden at overtræde termodynamikkens anden lov.
Forskning har vist, at information er en fysisk mængde - jo mere information du har, jo mere arbejde kan du udtrække. Maxwells demon skaber arbejde fra gas ved en temperatur, fordi han har meget mere information end en almindelig observatør.
Det tog endnu et halvt århundrede, og kvantinformationens teoriers storhedstid, et felt født af forfølgelsen af kvantecomputeren, for fysikere at undersøge detaljerede konsekvenser af Bennetts idé.
I det sidste årti har fysikere antaget, at energi bevæger sig fra varme genstande til kolde genstande på grund af en bestemt måde at udbrede information mellem partikler på.
I henhold til kvanteteori er de fysiske egenskaber af partikler sandsynlige, og partikler kan være i en superposition af tilstande. Når de interagerer, bliver de sammenfiltret ved at kombinere sandsynlighedsfordelingen, der beskriver deres tilstande.
Kvanteteoriens centrale position er udsagnet om, at information aldrig går tabt, dvs. universets nuværende tilstand bevarer al information om fortiden. Men med tiden, når partiklerne interagerer og bliver mere og mere sammenfiltret, blandes information om deres individuelle tilstande og fordeles blandt flere og flere partikler.
Koppen kaffe køles ned til stuetemperatur, fordi når kaffemolekyler kolliderer med luftmolekyler, lækker informationen, der koder for kaffenergien, transmitteres til den omgivende luft og går tabt i den.
At forstå entropi som en subjektiv foranstaltning gør det imidlertid muligt for universet som helhed at udvikle sig uden tab af information. Selv når entropien til dele af universet, for eksempel gaspartikler, kaffe, N + 1-læsere, vokser, efterhånden som deres kvanteinformation går tabt i universet, forbliver universets globale entropi altid nul.
Kvantevarmemaskiner
Hvordan kan man nu bruge en dybere forståelse af kvantetermodynamik til at bygge en varmemotor?
I 2012 blev det teknologiske europæiske forskningscenter for kvantetermodynamik oprettet og beskæftiger i øjeblikket over 300 forskere og ingeniører.
Centrets team håber at undersøge de love, der regulerer kvanteovergange i kvantemotorer og køleskabe, der en dag kan køle computere eller blive brugt i solcellepaneler, bioingeniørarbejde og andre applikationer.
Forskere forstår allerede meget bedre end før, hvad kvantemotorer er i stand til.
En varmemotor er en enhed, der bruger en kvantearbejdsfluid og to reservoirer ved forskellige temperaturer (varmeapparat og køler) til at udtrække arbejde. Arbejde er overførsel af energi fra motoren til en eller anden ekstern mekanisme uden at ændre mekanismens entropi.
På den anden side er varme udvekslingen af energi mellem arbejdsfluidet og reservoiret, hvilket ændrer reservets entropi. Ved en svag forbindelse mellem reservoiret og arbejdsfluidet er varme relateret til temperaturen og kan udtrykkes som dQ = TdS, hvor dS er ændringen i reservoirentropien.
I en elementær kvantevarmemotor består arbejdsfluidet af en partikel. En sådan motor tilfredsstiller den anden lov og er derfor også begrænset af Carnot-effektivitetsgrænsen.
Når arbejdsmediet bringes i kontakt med reservoiret, ændres populationen af energiniveauet i arbejdsmediet. Den definerende egenskab ved reservoiret er dens evne til at bringe arbejdsfluidet til en given temperatur, uanset kroppens oprindelige tilstand.
I dette tilfælde er temperatur en parameter for kvantetilstanden i systemet og ikke et makroparameter, som i klassisk termodynamik: vi kan tale om temperatur som populationen af energiniveauer.
I processen med energiudveksling med reservoiret udveksler kroppen også entropi, derfor betragtes energiudveksling på dette trin som varmeoverførsel.
Overvej for eksempel den kvante Otto-cyklus, hvor et to-niveau-system fungerer som et arbejdsfluid. I et sådant system er der to energiniveauer, som hver kan befolkes; lad jordniveauet være E 1, og det ophidsede niveau E 2. Otto-cyklen består af 4 trin:
I. Afstanden mellem niveauerne E 1 og E 2 øges og bliver Δ 1 = E1 - E 2.
II. Der er kontakt med varmeapparatet, systemet varmes op, det vil sige det øverste energiniveau udfyldes, og arbejdsfluidets entropi ændres. Denne interaktion varer tid τ 1.
III. Der er en komprimering mellem niveauerne E 1 og E 2, det vil sige, der er arbejde på systemet, nu er afstandene mellem niveauerne Δ 2 = E1 - E 2.
IV. Kroppen bringes i kontakt med køleskabet i en tid τ 2, hvilket giver det muligheden for at slappe af og tømme det øverste niveau. Det lavere niveau er nu fuldt ud befolket.
Her kan vi ikke sige noget om temperaturen på arbejdsvæsken, kun temperaturerne på varmeapparatet og køleskabet betyder noget. Det perfekte værk kan skrives som:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
hvor p 0 (1) er sandsynligheden for, at arbejdsvæsken var i jorden (ophidset) tilstand. Effektiviteten af denne kvante firetaktsmotor er η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto-cyklus på et kvantet to-niveau-system.
For eksempel er det muligt at bygge en kvantemotor, hvor en superledende qubit spiller rollen som et arbejdsfluid, og to normale modstande med forskellige modstande bruges som varmelegeme og køleskab.
Disse modstande genererer støj, der har en karakteristisk temperatur: stor støj - varmelegeme, lille - køleskab.
Den korrekte funktion af en sådan motor blev vist i arbejde fra forskere fra Aalto-universitetet i Finland.
I implementeringen af Otto-cyklussen kan forskellen mellem energiniveauerne moduleres med en konstant magnetisk flux, det vil sige "klemme" eller "udvide" niveauerne, og tændingen for interaktionen med reservoirerne blev perfekt opnået ved korte mikrobølgesignaler.
I 2015 beregnet forskere ved det hebraiske universitet i Jerusalem, at sådanne kvantemotorer kunne overgå klassiske modstykker.
Disse sandsynlige motorer følger stadig Carnot-formlen for effektivitet med hensyn til, hvor meget arbejde de kan få ud af energien, der passerer mellem varme og kolde kroppe. Men de er i stand til at hente arbejde meget hurtigere.
En enkeltion-motor blev eksperimentelt demonstreret og præsenteret i 2016, skønt den ikke brugte kvanteeffekter til at forstærke effekten.
For nylig blev der bygget en kvantevarmemotor baseret på nukleær magnetisk resonans, hvis effektivitet var meget tæt på den ideelle ηCarnot.
Kvantevarmemotorer kan også bruges til at køle både store og mikroskopiske systemer, såsom qubits i en kvantecomputer.
Afkøling af et mikrosystem betyder faldende populationer ved ophidsede niveauer og faldende entropi. Dette kan gøres gennem de samme termodynamiske cyklusser, der involverer varmeapparatet og køleskabet, men kører i modsat retning.
I marts 2017 blev der offentliggjort en artikel, hvor der ved hjælp af kvanteinformationsteori blev den tredje lov om termodynamik afledt - en erklæring om umuligheden ved at nå en absolut nul temperatur.
Forfatterne af artiklen viste, at begrænsningen af kølehastigheden, som forhindrer opnåelse af absolut nul, stammer fra begrænsningen af, hvor hurtigt information kan pumpes ud af partikler i et objekt med endelig størrelse.
Hastighedsgrænsen har meget at gøre med kølekapaciteterne i kvantekøleskabe.
Kvantemotorers fremtid
Snart får vi se kvanteteknologiens storhedstid, og derefter kan kvantevarmemaskiner hjælpe meget.
Det fungerer ikke at bruge et køkken køleskab til at køle mikrosystemer på grund af dets uregelmæssige drift - i gennemsnit er temperaturen i det lavt, men lokalt kan det nå uacceptable værdier.
På grund af den nære forbindelse mellem kvantetermodynamik og information, er vi i stand til at bruge vores viden (information) til at udføre lokalt arbejde - for eksempel til at implementere kvantedæmonen Maxwell ved hjælp af multilevel-systemer til at afkøle (rense staten) af qubits i en kvantecomputer.
Hvad kvantemotorer i større skala angår, er det for tidligt at hævde, at en sådan motor erstatter en forbrændingsmotor. Indtil videre har enkeltatommotorer for lav effektivitet.
Det er imidlertid intuitivt klart, at når vi bruger et makroskopisk system med mange frihedsgrader, vil vi kun kunne udtrække en lille del af det nyttige arbejde, fordi et sådant system kun kan kontrolleres i gennemsnit. I konceptet med kvantemotorer bliver det muligt at styre systemer mere effektivt.
I øjeblikket er der mange teoretiske og tekniske spørgsmål inden for videnskaben om nanoskalavarmemaskiner. For eksempel er kvantesvingninger et stort problem, som kan skabe "kvantefriktion", indføre ekstra entropi og reducere motorens effektivitet.
Fysikere og ingeniører arbejder nu aktivt på optimal kontrol af kvantearbejdsfluidet og oprettelsen af en nanheater og nanocooler. Før eller senere vil kvantefysik hjælpe os med at skabe en ny klasse af nyttige enheder.
Mikhail Perelstein