Žmonės išmoko kurti labai galingus vidaus degimo variklius, tačiau neišmoko pagrindinio dalyko - žymiai padidėjusio jų efektyvumo. Šio kelio ribą nustato antrasis termodinamikos dėsnis, teigiantis, kad sistemos entropija neišvengiamai didėja. Bet ar įmanoma šią ribą peržengti kvantinės fizikos pagalba? Paaiškėjo, kad tai įmanoma, tačiau tam reikėjo suprasti, kad entropija yra subjektyvi, o šiluma ir darbas yra toli gražu ne vienintelės galimos energijos formos. Norėdami gauti daugiau informacijos apie tai, kas yra kvantiniai varikliai, kaip jie yra išdėstyti ir kam jie yra pajėgūs, skaitykite mūsų medžiagoje.
Per 300 metų plėtojant variklių skaičiavimo, projektavimo ir projektavimo technologijas, didelio efektyvumo koeficiento sukūrimo problema nebuvo išspręsta, nors ji yra kritiška daugeliui mokslo ir technologijų sričių.
- „Salik.biz“
XX amžiaus pradžioje atrasta kvantinė fizika mums jau pateikė daugybę netikėtumų technologijų pasaulyje: atominės teorijos, puslaidininkių, lazerių ir galiausiai kvantinių kompiuterių. Šie atradimai pagrįsti neįprastomis subatominių dalelių savybėmis, būtent kvantinėmis koreliacijomis tarp jų - grynai kvantiniu keitimosi informacija būdu.
Ir atrodo, kad kvantinė fizika yra pasirengusi mus dar kartą nustebinti: kvantinės termodinamikos tobulinimo metai leido fizikams parodyti, kad kvantiniai šilumos varikliai gali turėti didelį efektyvumą mažose skalėse, neprieinamose klasikinėms mašinoms.
Pažvelkime į tai, kas yra kvantinė termodinamika, kaip veikia šilumos varikliai, kokius patobulinimus suteikia kvantinė fizika ir ką reikia padaryti norint sukurti efektyvų ateities variklį.
Klasikiniai šilumos varikliai
Savo 1824 m. Knygoje „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą“28 metų prancūzų inžinierius Sadi Carnot suprato, kaip garų varikliai gali efektyviai paversti šilumą darbu, kuris priverčia stūmoklį judėti ar pasukti ratą.
Reklaminis vaizdo įrašas:
„Carnot“nuostabai, idealaus variklio efektyvumas priklausė tik nuo temperatūros skirtumo tarp variklio šilumos šaltinio (šildytuvo, dažniausiai ugnies) ir šilumos kriauklės (šaldytuvo, paprastai aplinkos oro).
Carnot suprato, kad darbas yra natūralus šilumos perėjimo iš karšto į šaltą kūną šalutinis produktas.
Šilumos variklio darbo schema.
Šilumos varikliuose naudojamas šis ciklas. Šiluma Q 1 tiekiama iš šildytuvo, kai temperatūra t 1, į darbinį skystį, dalis šilumos Q 2 pašalinama į šaldytuvą, kai temperatūra t 2, t 1> t 2.
Šilumos variklio atliekamas darbas yra lygus skirtumui tarp tiekiamos ir pašalintos šilumos: A = Q 1 - Q 2, o efektyvumas η bus lygus η = A / Q 1.
Karnotas parodė, kad bet kurio šilumos variklio efektyvumas negali viršyti idealaus šiluminio variklio, veikiančio jo cikle, esant vienodoms šildytuvo ir šaldytuvo temperatūroms, ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Sukurti efektyvų šilumos variklį yra maksimalus tikrovės apytikslis suderinimas. Efektyvumas nuo η iki idealaus ηNesijunkite.
Sadi Carnot mirė nuo choleros po aštuonerių metų - dar nespėjęs pamatyti, kaip jau XIX amžiuje jo efektyvumo formulė virto klasikinės termodinamikos teorija - universalių įstatymų rinkiniu, siejančiu su temperatūra, šiluma, darbu, energija ir entropija.
Klasikinė termodinamika apibūdina statistines sistemų savybes, sumažinant mikroparametrus, tokius kaip dalelių padėtis ir greitis, iki makroparametrų: temperatūros, slėgio ir tūrio. Termodinamikos dėsniai pasirodė galiojantys ne tik garo varikliams, bet ir saulei, juodosioms skylėms, gyviesiems daiktams ir visai Visatai.
Ši teorija yra tokia paprasta ir bendro pobūdžio, kad Albertas Einšteinas manė, kad ji „niekada nebus nuversta“. Tačiau nuo pat pradžių termodinamika užėmė nepaprastai keistą vietą tarp kitų Visatos teorijų.
„Jei fizinės teorijos būtų žmogiškos, termodinamika būtų kaimo ragana“, - prieš kelerius metus rašė fizikė Lydia del Rio. "Kitos teorijos atrodo keistos, skiriasi nuo kitų, tačiau visi kreipiasi į ją patarimo ir niekas nedrįsta jai prieštarauti".
Termodinamika niekada neteigė, kad yra universalus metodas mus supančiam pasauliui analizuoti, greičiau tai būdas efektyviai naudoti šį pasaulį.
Termodinamika nurodo, kaip maksimaliai išnaudoti tokius išteklius kaip karštos dujos ar įmagnetintas metalas, kad būtų pasiekti konkretūs tikslai - traukinio judėjimas ar kietojo disko formatavimas.
Jos universalumas atsiranda dėl to, kad nesistengiama suprasti mikroskopinių atskirų sistemų detalių, o tik rūpinamasi nustatant, kurias operacijas šiose sistemose lengva atlikti, o kurias sudėtingas.
Mokslininkams toks požiūris gali atrodyti keistas, tačiau jis aktyviai naudojamas fizikoje, informatikoje, ekonomikoje, matematikoje ir daugelyje kitų vietų.
Vienas keisčiausių teorijos bruožų yra jos taisyklių subjektyvumas. Pavyzdžiui, dujos, sudarytos iš dalelių, kurių vidutinė temperatūra yra vidutiniškai, mikroskopiškai skiriasi, atidžiau apžiūrint.
Pastaraisiais metais atsirado revoliucinis termodinamikos supratimas, aiškinantis šį subjektyvumą per kvantinės informacijos teoriją, apibūdinančią informacijos sklidimą per kvantines sistemas.
Kaip termodinamika iš pradžių išaugo iš bandymų patobulinti garų variklius, šiuolaikinė termodinamika apibūdina jau kvantinių mašinų - kontroliuojamų nanodalelių - veikimą.
Norėdami teisingai apibūdinti, esame priversti išplėsti termodinamiką iki kvantinės srities, kur tokios sąvokos kaip temperatūra ir darbas praranda įprastą reikšmę, o klasikiniai mechanikos dėsniai nustoja galioti.
Kvantinė termodinamika
Gimė kvantinė termodinamika
Garsus fizikas Jamesas Clarkas Maxwellas 1867 m. Laiške savo škotų kolegai Peteriui Tate'ui suformulavo garsųjį paradoksą, užsimindamas apie termodinamikos ir informacijos ryšį.
Paradoksas buvo susijęs su antruoju termodinamikos dėsniu - taisykle, kad entropija visada didėja. Kaip vėliau pažymėjo seras Arthuras Eddingtonas, ši taisyklė „užima dominuojančią padėtį tarp gamtos dėsnių“.
Pagal antrąjį dėsnį energija tampa netvarkingesnė ir ne tokia naudinga, nes ji keliauja iš karštųjų į šaltuosius kūnus ir mažėja temperatūros skirtumai.
Ir kaip mes prisimename iš Carnot atradimo, karštas ir šaltas kūnas turi būti naudingas. Gaisrai užgęsta, rytiniai kavos puodeliai atvėsta, o Visata skuba link vienodos temperatūros būsenos, vadinamos Visatos šiluma.
Puikus austrų fizikas Ludwigas Boltzmannas parodė, kad entropijos padidėjimas yra įprastos matematinės statistikos dėsnių pasekmė: yra daug daugiau būdų tolygiai paskirstyti energiją tarp dalelių nei vietinei jo koncentracijai. Kai dalelės juda, jos natūraliai linkusios į didesnes entropijos būsenas.
Tačiau Maxwello laiškas aprašė mintinį eksperimentą, kurio metu tam tikra nušvitusi būtybė - vėliau vadinama Maksvelo demonu - naudojasi savo žiniomis entropijai sumažinti ir pažeisti antrąjį įstatymą.
Visagalis demonas žino kiekvienos molekulės vietą ir greitį dujų talpykloje. Padalijęs indą į dvi dalis ir atidaręs bei uždarydamas mažas duris tarp dviejų kamerų, demonas leidžia tik greitas molekules viena kryptimi, o lėtas - tik kitoje.
Demono veiksmai padalija dujas į karštas ir šaltas, sutelkdami energiją ir sumažinant bendrą entropiją. Šilumos variklyje dabar gali būti naudojamos vienkartinės nenaudojamos dujos su tam tikra vidutine temperatūra.
Daugelį metų Maksvelas ir kiti domėjosi, kaip gamtos dėsnis gali priklausyti nuo molekulių padėties ir greičio žinojimo ar nežinojimo. Jei antrasis termodinamikos dėsnis subjektyviai priklauso nuo šios informacijos, tai kaip ji gali būti absoliuti tiesa?
Termodinamikos ryšys su informacija
Po šimtmečio amerikiečių fizikas Charlesas Bennettas, remdamasis Leo Szilardo ir Rolfo Landauerio darbais, išsprendė paradoksą, oficialiai susiedamas termodinamiką su informacijos mokslu. Bennettas teigė, kad demono žinios saugomos jo atmintyje, o atmintis turi būti išvalyta, o tam reikia darbo.
1961 m. Landaueris apskaičiavo, kad kambario temperatūroje kompiuteriui reikia bent 2,9 x 10–21 džaulio, kad būtų galima ištrinti vieną saugomos informacijos bitą. Kitaip tariant, kai demonas atskiria karštas ir šaltas molekules, sumažindamas dujų entropiją, jo sąmonė sunaudoja energiją, o bendra dujų + demonų sistemos entropija padidėja nepažeidžiant antrojo termodinamikos dėsnio.
Tyrimai parodė, kad informacija yra fizinis kiekis - kuo daugiau informacijos turite, tuo daugiau darbo galite išgauti. Maksvelio demonas sukuria darbą iš dujų vienoje temperatūroje, nes jis turi daug daugiau informacijos nei eilinis stebėtojas.
Kvantinės informacijos teorijos, srities, gimusios vykdant kvantinį kompiuterį, fizikams prireikė dar pusės amžiaus ir to, kad jie išsamiai išnagrinėjo stulbinančius Bennetto idėjos padarinius.
Per pastarąjį dešimtmetį fizikai padarė prielaidą, kad energija keliauja iš karštų daiktų į šaltus daiktus dėl tam tikro informacijos sklidimo tarp dalelių būdo.
Remiantis kvantų teorija, fizikinės dalelių savybės yra tikėtinos, o dalelės gali būti superpozicijose. Kai jie sąveikauja, jie įsipainioja, derindami kartu tikimybių pasiskirstymus, apibūdinančius jų būsenas.
Centrinė kvantų teorijos pozicija yra teiginys, kad informacija niekada neprarandama, tai yra, dabartinė Visatos būsena išsaugo visą informaciją apie praeitį. Tačiau laikui bėgant, kai dalelės sąveikauja ir vis labiau įsipainioja, informacija apie atskiras jų būsenas susimaišo ir pasiskirsto vis daugiau dalelių.
Kavos puodelis atvėsta iki kambario temperatūros, nes kavos molekulėms susidūrus su oro molekulėmis, kavos energiją koduojanti informacija nutekėja, perduodama į aplinkinį orą ir joje prarandama.
Tačiau entropijos, kaip subjektyvios priemonės, supratimas leidžia visai Visatai vystytis neprarandant informacijos. Net kai auga Visatos dalių, pavyzdžiui, dujų dalelių, kavos, N + 1 skaitytuvų, entropija, nes Visatoje prarandama jų kvantinė informacija, visatos visatos entropija visada išlieka lygi nuliui.
Kvantiniai šilumos varikliai
Kaip dabar, giliau suprantant kvantinę termodinamiką, sukurti šilumos variklį?
2012 m. Buvo įkurtas Technologinis Europos kvantinės termodinamikos tyrimų centras, kuriame šiuo metu dirba virš 300 mokslininkų ir inžinierių.
Centro komanda tikisi ištirti kvantinių variklių ir šaldytuvų kvantinius pokyčius reglamentuojančius įstatymus, kurie kada nors galėtų atvėsinti kompiuterius ar būti naudojami saulės baterijose, bioinžinerijoje ir kitose programose.
Tyrėjai jau daug geriau nei anksčiau supranta, ką sugeba kvantiniai varikliai.
Šilumos variklis yra įtaisas, kurio darbui išgauti naudojamas kvantinis darbinis skystis ir du rezervuarai skirtingose temperatūrose (šildytuvas ir aušintuvas). Darbas yra energijos perdavimas iš variklio į kažkokį išorinį mechanizmą, nekeičiant mechanizmo entropijos.
Kita vertus, šiluma yra energijos mainai tarp darbinio skysčio ir rezervuaro, o tai keičia rezervuaro entropiją. Esant silpnam rezervuaro ir darbinio skysčio ryšiui, šiluma yra susijusi su temperatūra ir gali būti išreikšta dQ = TdS, kur dS yra rezervuaro entropijos pokytis.
Pradiniame kvantiniame šilumos variklyje darbinis skystis susideda iš vienos dalelės. Toks variklis atitinka antrąjį įstatymą, todėl jį taip pat riboja „Carnot“efektyvumo riba.
Kai darbinė terpė liečiasi su rezervuaru, darbinėje terpėje keičiasi energijos lygis. Apibrėžta rezervuaro savybė yra jo sugebėjimas pasiekti darbinį skystį iki nurodytos temperatūros, nepriklausomai nuo pradinės kūno būsenos.
Šiuo atveju temperatūra yra sistemos kvantinės būklės parametras, o ne makroparametras, kaip klasikinėje termodinamikoje: apie temperatūrą galime kalbėti kaip apie energijos lygio populiaciją.
Keičiantis energijai su rezervuaru, kūnas taip pat keičiasi entropija, todėl energijos mainai šiame etape laikomi šilumos perdavimu.
Pavyzdžiui, apsvarstykite kvantinį Otto ciklą, kuriame dviejų lygių sistema veiks kaip darbinis skystis. Tokioje sistemoje yra du energijos lygiai, iš kurių kiekvienas gali būti apgyvendintas; tegul žemės lygio energija yra E 1, o sužadinto lygio E 2. Otto ciklą sudaro 4 etapai:
I. Atstumas tarp lygių E 1 ir E 2 didėja ir tampa Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Yra kontaktas su šildytuvu, sistema įkaista, tai yra, viršutinis energijos lygis yra užpildytas ir keičiasi darbinio skysčio entropija. Ši sąveika trunka laiką τ 1.
III. Tarp E 1 ir E 2 lygių yra suspaudimas, tai yra, sistemoje yra darbas, dabar atstumai tarp lygių yra Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Kūnas sąlyčio su šaldytuvu metu τ 2 suteikia galimybę atsipalaiduoti, ištuštinti viršutinį lygį. Žemutinis lygis dabar yra visiškai apgyvendintas.
Čia nieko negalime pasakyti apie darbinio skysčio temperatūrą, svarbu tik šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra. Tobulas darbas gali būti parašytas taip:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
čia p 0 (1) yra tikimybė, kad darbinis skystis buvo žemės (sužadintos) būsenoje. Šio kvantinio keturių taktų variklio efektyvumas yra η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto ciklas dviejų lygių kvantinėje sistemoje.
Pvz., Galima pastatyti kvantinį variklį, kuriame superlaidus kvadratas atlieka darbinio skysčio vaidmenį, o du normalūs skirtingo atsparumo varžai naudojami kaip šildytuvas ir šaldytuvas.
Šie rezistoriai sukuria triukšmą, kuriam būdinga temperatūra: didelis triukšmas - šildytuvas, mažas - šaldytuvas.
Teisingas tokio variklio veikimas buvo parodytas Suomijos Aalto universiteto mokslininkų darbuose.
Įgyvendinant „Otto“ciklą, energijos lygių skirtumą galima moduliuoti pastoviu magnetiniu srautu, tai yra „išspausti“arba „išplėsti“lygius, o įjungti sąveiką su rezervuarais puikiai pavyko trumpais mikrobangų signalais.
2015 m. Jeruzalės hebrajų universiteto mokslininkai apskaičiavo, kad tokie kvantiniai varikliai gali pralenkti klasikinius kolegas.
Šie tikimybiniai varikliai vis dar atitinka „Carnot“efektyvumo formulę, kalbant apie tai, kiek darbo jie gali išgauti iš energijos, einančios tarp karštų ir šaltų kūnų. Bet jie sugeba atgauti darbą daug greičiau.
Vieno jono variklis buvo eksperimentiškai parodytas ir pristatytas 2016 m., Nors jis nenaudojo kvantinių efektų galiai sustiprinti.
Neseniai buvo pastatytas kvantinis šilumos variklis, pagrįstas branduoliniu magnetiniu rezonansu, kurio efektyvumas buvo labai artimas idealiam ηCarnot.
Kvantiniai šilumos varikliai taip pat gali būti naudojami tiek didelėms, tiek mikroskopinėms sistemoms, pavyzdžiui, kvotoms kvantiniame kompiuteryje, aušinti.
Mikrosistemos aušinimas reiškia populiacijos sumažėjimą sužadinto lygio ir entropijos mažėjimą. Tai galima padaryti atliekant tuos pačius termodinaminius ciklus, kuriuose dalyvauja šildytuvas ir šaldytuvas, tačiau važiuojant priešinga kryptimi.
2017 m. Kovo mėn. Buvo paskelbtas straipsnis, kuriame, naudojantis kvantinės informacijos teorija, buvo išvestas trečiasis termodinamikos dėsnis - teiginys apie negalėjimą pasiekti absoliučios nulio temperatūros.
Straipsnio autoriai parodė, kad aušinimo greičio apribojimas, kuris neleidžia pasiekti absoliutaus nulio, kyla dėl apribojimo, kiek greitai informacija gali būti išsiurbta iš dalelių baigtinio dydžio objekte.
Greičio apribojimas turi daug bendro su kvantinių šaldytuvų aušinimo galimybėmis.
Kvantinių variklių ateitis
Netrukus pamatysime kvantinių technologijų kaitą, tada kvantiniai šilumos varikliai gali daug padėti.
Dėl netinkamo veikimo virtuviniu šaldytuvu negalima atvėsinti mikrosistemų - vidutiniškai temperatūra jame yra žema, tačiau vietomis ji gali pasiekti nepriimtinas vertes.
Dėl glaudaus kvantinės termodinamikos ryšio su informacija, mes galime panaudoti savo žinias (informaciją) atlikdami vietinius darbus - pavyzdžiui, įgyvendinti kvantinį demoną Maxwellą, naudodami daugiapakopes sistemas, kad atvėsintume (išvalytume būseną) kvitas kvantiniame kompiuteryje.
Kalbant apie didesnio masto kvantinius variklius, dar anksti teigti, kad toks variklis pakeis vidaus degimo variklį. Kol kas vieno atomo varikliai turi per mažą efektyvumą.
Tačiau intuityviai aišku, kad naudodamiesi makroskopine sistema, turinčia daug laisvės laipsnių, galėsime išgauti tik nedidelę dalį naudingo darbo, nes tokią sistemą galima valdyti tik vidutiniškai. Kvantinių variklių koncepcijoje tampa įmanoma efektyviau valdyti sistemas.
Šiuo metu nanoskalės šiluminių variklių moksle yra daug teorinių ir inžinerinių klausimų. Pavyzdžiui, kvantiniai svyravimai yra didelė problema, dėl kurios gali atsirasti „kvantinė trintis“, įvedant papildomą entropiją ir sumažinant variklio efektyvumą.
Fizikai ir inžinieriai dabar aktyviai dirba, norėdami optimaliai valdyti kvantinį darbinį skystį ir sukurti nanokrosnį ir nanokultūrą. Anksčiau ar vėliau kvantinė fizika padės mums sukurti naują naudingų prietaisų klasę.
Michailas Perelšteinas