Inimesed on õppinud ehitama väga võimsaid sisepõlemismootoreid, kuid nad pole õppinud peamist - nende efektiivsuse märkimisväärset kasvu. Selle tee piiri seab termodünaamika teine seadus, mis väidab, et süsteemi entroopia paratamatult suureneb. Kuid kas kvantfüüsika abil on võimalik seda piiri ületada? Selgus, et see on võimalik, kuid selleks oli vaja mõista, et entroopia on subjektiivne ning kuumus ja töö pole kaugeltki ainsad võimalikud energiavormid. Lisateavet selle kohta, mis on kvantmootorid, kuidas need on paigutatud ja milleks nad on võimelised, lugege meie materjalist.
300 aasta jooksul mootorite arvutamise, projekteerimise ja ehitamise tehnoloogia arendamise ajal pole suure kasuteguriga masina loomise probleemi lahendatud, ehkki see on paljude teaduse ja tehnoloogia valdkondade jaoks kriitiline.
20. sajandi alguses avastatud kvantfüüsika on juba esitanud tehnoloogiamaailmas palju üllatusi: aatomiteooria, pooljuhid, laserid ja lõpuks kvantarvutid. Need avastused põhinevad subatomiliste osakeste ebatavalistel omadustel, nimelt nendevahelistel kvantkorrelatsioonidel - puhtalt kvantviisil teabe vahetamiseks.
Ja tundub, et kvantfüüsika on valmis meid taas üllatama: kvanttermodünaamika arendamise aastad on füüsikutele võimaldanud näidata, et kvant-soojusmootoritel võib olla väikestes skaalades kõrge efektiivsus, mis pole klassikalistele masinatele juurdepääsetav.
Heidame pilgu sellele, mis on kvanttermodünaamika, kuidas soojusmootorid töötavad, milliseid parandusi kvantfüüsika annab ja mida tuleb teha tuleviku efektiivse mootori loomiseks.
Klassikalised soojusmootorid
28-aastane prantsuse insener Sadi Carnot mõtles oma 1824. aasta raamatus „Reflections on the Fire Motive of Fire” välja, kuidas aurumasinad suudavad tõhusalt muuta soojuse tööks, mis paneb kolvi liikuma või ratta pöörlema.
Reklaamvideo:
Carnoti üllatuseks sõltus ideaalse mootori efektiivsus ainult temperatuuri erinevusest mootori soojusallika (kütteseade, tavaliselt tulekahju) ja jahutusradiaatori (külmik, tavaliselt välisõhk) vahel.
Carnot taipas, et töö on soojuse loomuliku ülemineku kuumast kehast külma keha kõrvalsaadus.
Soojusmootori töö skeem.
Soojusmootorites kasutatakse järgmist tsüklit. Soojust Q 1 juhitakse küttekehast temperatuuriga t 1 töövedelikku, osa soojusest Q 2 juhitakse külmikusse temperatuuriga t 2, t 1> t 2.
Soojusmootori tehtud töö võrdub tarnitud ja eemaldatud soojuse vahega: A = Q 1 - Q 2 ja kasutegur η on võrdne η = A / Q 1.
Carnot näitas, et ühegi soojusmootori kasutegur ei tohi ületada ideaalse soojusmootori efektiivsust, mis töötab selle tsüklis samade küttekeha ja külmiku temperatuuridega ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Tõhusa soojusmootori loomine on tegeliku tegeliku väärtuse maksimaalne ligikaudne väärtus. Kasutegur η kuni ideaalse ηCarnot.
Sadi Carnot suri koolerasse kaheksa aastat hiljem - enne, kui ta nägi, kuidas juba 19. sajandil muutus tema efektiivsuse valem klassikalise termodünaamika teooriaks - universaalsete seaduste kogumiks, mis seob temperatuuri, kuumuse, töö, energia ja entroopia.
Klassikaline termodünaamika kirjeldab süsteemide statistilisi omadusi, vähendades mikroparameetrid, näiteks osakeste asukoha ja kiiruse makroparameetriteks: temperatuur, rõhk ja ruumala. Termodünaamika seadused osutusid kohaldatavaks mitte ainult aurumasinate, vaid ka Päikese, mustade aukude, elusolendite ja kogu Universumi jaoks.
See teooria on nii lihtne ja üldine, et Albert Einstein arvas, et seda "ei kukuta kunagi ümber". Kuid termodünaamika asus algusest peale universumi teiste teooriate hulgas äärmiselt kummalisel kohal.
“Kui füüsikalised teooriad oleksid inimlikud, oleks termodünaamika külad nõid,” kirjutas füüsik Lydia del Rio mõni aasta tagasi. "Teised teooriad leiavad, et ta on kummaline, teistest erinev, kuid kõik pöörduvad tema poole nõu saamiseks ja keegi ei julge temaga vaielda."
Termodünaamika pole kunagi väitnud end olevat universaalset meetodit ümbritseva maailma analüüsimiseks, pigem on see viis selle maailma tõhusaks kasutamiseks.
Termodünaamika õpetab meile, kuidas konkreetsete eesmärkide saavutamiseks maksimaalselt ära kasutada ressursse, näiteks kuuma gaasi või magnetizitud metalli, olgu selleks rongi liigutamine või kõvaketta vormindamine.
Selle mitmekülgsus tuleneb asjaolust, et see ei püüa mõista üksikute süsteemide mikroskoopilisi detaile, vaid hoolib ainult selle kindlaksmääramisest, milliseid toiminguid on nendes süsteemides lihtne teostada ja milliseid on keeruline.
See lähenemine võib teadlastele tunduda kummaline, kuid seda kasutatakse aktiivselt füüsikas, informaatikas, majanduses, matemaatikas ja paljudes teistes kohtades.
Teooria üks kummalisemaid tunnuseid on selle reeglite subjektiivsus. Näiteks keskmiselt sama temperatuuriga osakestest koosneval gaasil on lähemal vaatlusel mikroskoopilised temperatuurierinevused.
Viimastel aastatel on tekkinud termodünaamika revolutsiooniline mõistmine, seletades seda subjektiivsust kvantteabe teooria kaudu, mis kirjeldab teabe levimist kvantsüsteemide kaudu.
Nii nagu termodünaamika kasvas algselt välja aurumootorite parendamise katsetest, kirjeldab tänapäevane termodünaamika juba kvantmasinate - juhitavate nanoosakeste tööd.
Õige kirjelduse saamiseks oleme sunnitud laiendama termodünaamikat kvantpiirkonnale, kus sellised mõisted nagu temperatuur ja töö kaotavad oma tavapärase tähenduse ja mehaanika klassikalised seadused lakkavad töötamast.
Kvantterodünaamika
Kvanttermodünaamika sünd
Kuulus füüsik James Clark Maxwell sõnastas 1867. aastal oma Šoti kolleegile Peter Tate'ile saadetud kuulsa paradoksi vihje termodünaamika ja teabe vahelisele seosele.
Paradoks puudutas termodünaamika teist seadust - reeglit, et entroopia suureneb alati. Nagu Sir Arthur Eddington hiljem märkis, on sellel reeglil "loodusseaduste hulgas valitsev seisund".
Teise seaduse kohaselt muutub energia järjest ebakorrektsemaks ja vähem kasulikuks, kuna see liigub kuumadest külmadesse kehadesse ja temperatuuride erinevused vähenevad.
Ja nagu me Carnoti avastusest mäletame, on kasuliku töö tegemiseks vaja kuuma ja külma keha. Tulekahjud kustuvad, hommikukohvi tassid jahtuvad ja universum tormab ühtlase temperatuuriseisundi poole, mida nimetatakse universumi soojasurmaks.
Suur Austria füüsik Ludwig Boltzmann näitas, et entroopia suurenemine on tavalise matemaatilise statistika seaduste tagajärg: energia jaotamiseks osakeste vahel on ühtlasi palju rohkem kui selle kohalik kontsentratsioon. Kui osakesed liiguvad, kalduvad nad loomulikult kõrgemasse entroopia olekusse.
Kuid Maxwelli kiri kirjeldas mõtteeksperimenti, milles teatud valgustatud olend - keda hiljem nimetatakse Maxwelli deemoniks - kasutab oma teadmisi entroopia vähendamiseks ja teise seaduse rikkumiseks.
Kõikvõimas deemon teab iga molekuli asukohta ja kiirust gaasimahutis. Jagades konteineri kaheks pooleks ning avades ja sulgedes kahe kambri vahelise väikese ukse, laseb deemon ainult ühes suunas liikuda kiiretel ja teises ainult aeglastel.
Deemoni tegevus jagab gaasi kuumaks ja külmaks, kontsentreerides selle energia ja vähendades kogu entroopiat. Nüüd saab soojamootoris kasutada korratu kasuliku kindla keskmise temperatuuriga gaasi.
Aastaid mõtlesid Maxwell ja teised, kuidas loodusseadus võib sõltuda molekulide asukoha ja kiiruse tundmisest või mitte tundmisest. Kui termodünaamika teine seadus sõltub subjektiivselt sellest infost, siis kuidas saab see olla absoluutne tõde?
Termodünaamika seos teabega
Sajand hiljem lahendas ameerika füüsik Charles Bennett, tuginedes Leo Szilardi ja Rolf Landaueri loomingule, paradoksi, sidudes termodünaamika ametlikult infoteadusega. Bennett väitis, et deemoni teadmised talletatakse tema mällu ja mälu tuleb kustutada, mis nõuab tööd.
1961. aastal arvutas Landauer, et toatemperatuuril vajab arvuti ühe bitti salvestatud teabe kustutamiseks vähemalt 2,9 x 10–21 džauli. Teisisõnu, kui deemon eraldab kuumad ja külmad molekulid, vähendades gaasi entroopiat, siis tema teadvus kulutab energiat ja gaasi + deemoni süsteemi kogu entroopia suureneb ilma termodünaamika teist seadust rikkumata.
Uuringud on näidanud, et teave on füüsiline kogus - mida rohkem teavet teil on, seda rohkem tööd saate kaevandada. Maxwelli deemon loob tööd gaasist ühel temperatuuril, sest tal on palju rohkem teavet kui tavalisel vaatlejal.
Kvantarvuti jälitamisest sündinud välja, kvantteabe teooria, mis oli kvantarvuti jälitamisest sündinud valdkonna jaoks kulus veel pool sajandit, et füüsikud uuriksid üksikasjalikult Bennetti idee jahmatavaid mõjusid.
Viimase kümnendi jooksul on füüsikud eeldanud, et energia liigub kuumadest objektidest külmadesse objektidesse teatava osakestevahelise teabe levitamise viisi tõttu.
Kvantteooria kohaselt on osakeste füüsikalised omadused tõenäolised ja osakesed võivad olla olekute superpositsioonis. Suhtlemisel satuvad nad segi, ühendades omavahel nende olekuid kirjeldavad tõenäosusjaotused.
Kvantteooria keskne positsioon on väide, et teavet ei kaota kunagi, see tähendab, et Universumi praeguses olekus säilitatakse kogu teave mineviku kohta. Kuid aja jooksul, kuna osakesed interakteeruvad ja muutuvad üha enam kinni, segatakse teave nende üksikute olekute kohta ja jaguneb üha rohkemate osakeste vahel.
Tass kohvi jahtub toatemperatuurini, sest kohvi molekulide kokkupuutel õhumolekulidega lekib kohvi energiat kodeeriv teave ümbritsevasse õhku ja kaob selles.
Entroopia kui subjektiivse mõõtme mõistmine võimaldab aga universumil tervikuna areneda ilma teavet kaotamata. Isegi kui Universumi osade, näiteks gaasiosakeste, kohvi, N + 1 lugejate entroopia kasvab, kui nende kvantteave Universumis kaob, jääb Universumi globaalne entroopia alati nulliks.
Kvantsoojusmootorid
Kuidas nüüd kvanttermodünaamikast sügavamalt aru saada, soojusmootorit ehitada?
2012. aastal loodi Euroopa Kvanttermodünaamika Tehnoloogiline Uurimiskeskus, kus töötab praegu üle 300 teadlase ja inseneri.
Keskuse meeskond loodab uurida seadmeid, mis reguleerivad kvantmootorite ja külmikute kvantmuundumisi, mis võivad kunagi arvutid jahutada või mida saab kasutada päikesepaneelides, bioenergeetikas ja muudes rakendustes.
Teadlased saavad juba varasemast palju paremini aru, milleks kvantmootorid on võimelised.
Soojusmootor on seade, mis kasutab kvant töövedelikku ja kahte erineval temperatuuril (küttekeha ja jahutiga) reservuaari töö eraldamiseks. Töö on energia ülekandmine mootorilt mingile välisele mehhanismile ilma mehhanismi entroopiat muutmata.
Teisest küljest on kuumus energiavahetus töövedeliku ja reservuaari vahel, mis muudab reservuaari entroopia. Mahuti ja töövedeliku vahelise nõrga ühenduse korral on soojus seotud temperatuuriga ja seda saab väljendada kui dQ = TdS, kus dS on reservuaari entroopia muutus.
Elementaarses kvant-soojusmootoris koosneb töövedelik ühest osakestest. Selline mootor vastab teisele seadusele ja on seetõttu piiratud ka Carnoti efektiivsuse piirmääraga.
Kui töökeskkond viiakse reservuaariga kontakti, muutub töökeskkonna energiataseme populatsioon. Mahuti iseloomulik omadus on võime viia töövedelik etteantud temperatuurini, olenemata keha algseisundist.
Sel juhul on temperatuur süsteemi kvantseisundi parameeter, mitte makroparameeter, nagu klassikalises termodünaamikas: temperatuurist võime rääkida kui energiatasandite populatsioonist.
Reservuaariga energiavahetuse käigus vahetab keha ka entroopiat, seetõttu peetakse energiavahetust selles etapis soojusülekandeks.
Vaatleme näiteks kvant-Otto tsüklit, milles kahetasandiline süsteem toimib töövedelikuna. Sellises süsteemis on kaks energiataset, millest igaüks saab asustada; laske maapinna energiaks E 1 ja ergastatud tasemel E 2. Otto tsükkel koosneb 4 etapist:
I. Tasemete E 1 ja E 2 vaheline kaugus suureneb ja muutub Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Küttekehaga on kontakt, süsteem soojeneb, see tähendab, et ülemine energia tase on asustatud ja töövedeliku entroopia muutub. See koostoime kestab aega τ 1.
III. Tasemete E 1 ja E 2 vahel on kokkusurumine, see tähendab, et süsteem töötab edasi, nüüd on tasemete vahelised kaugused Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Keha puutub külmkapiga kokku ajaks τ 2, mis annab sellele võimaluse lõõgastuda, ülemist taset tühjendada. Alumine tase on nüüd täielikult asustatud.
Siin ei saa töövedeliku temperatuuri kohta midagi öelda, tähtis on ainult küttekeha ja külmiku temperatuur. Ideaalse teose saab kirjutada järgmiselt:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
kus p 0 (1) on tõenäosus, et töövedelik oli põhjas (ergastatud). Selle neljataktilise kvantmootori kasutegur on η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto tsükkel kvant- kahetasandilisel süsteemil.
Näiteks on võimalik ehitada kvantmootor, milles ülijuhtiv qubit mängib töövedeliku rolli ning küttekeha ja külmikuna kasutatakse kahte tavalist erineva takistusega takistit.
Need takistid tekitavad müra, millel on iseloomulik temperatuur: suur müra - kütteseade, väike - külmik.
Sellise mootori korrektset toimimist näitas Soome Aalto ülikooli teadlaste töö.
Otto tsükli rakendamisel saab energiatasemete erinevust moduleerida pideva magnetilise vooga, see tähendab "pigistada" või "laiendada" taset ning koostoime sisselülitamine reservuaaridega saadi suurepäraselt lühikeste mikrolainete signaalide abil.
Aastal 2015 arvutasid Jeruusalemma heebrea ülikooli teadlased, et sellised kvantmootorid võiksid edestada klassikalisi vasteid.
Need tõenäosuslikud mootorid järgivad endiselt Carnoti valemit tõhususe osas, kui palju tööd nad kuumade ja külmade kehade vahel kulutavast energiast saavad ära kasutada. Kuid nad suudavad tööd palju kiiremini kätte saada.
Ühte ioonmootorit demonstreeriti ja esitleti 2016. aastal, kuigi see ei kasutanud võimsuse võimendamiseks kvant-efekte.
Hiljuti ehitati tuumamagnetresonantsil põhinev kvantisoojusmootor, mille kasutegur oli ideaalsele ηCarnot väga lähedane.
Kvantsoojusmootoreid saab kasutada ka nii suurte kui ka mikroskoopiliste süsteemide jahutamiseks, näiteks kvantarvuti kvbitid.
Mikrosüsteemi jahutamine tähendab populatsioonide vähenemist ergastatud tasemel ja entroopia vähenemist. Seda saab teha samade termodünaamiliste tsüklite abil, mis hõlmavad kütteseadet ja külmkappi, kuid töötab vastupidises suunas.
2017. aasta märtsis ilmus artikkel, milles kvantteabe teooria abil tuletati termodünaamika kolmas seadus - avaldus absoluutse nulltemperatuuri saavutamise võimatuse kohta.
Artikli autorid näitasid, et jahutuskiiruse piirang, mis takistab absoluutse nulli saavutamist, tuleneb piiratusest, kui kiiresti saab teavet piiritletud suurusega objekti osakestest välja pumbata.
Kiirusepiirangul on kvantkülmikute jahutusvõimalustega palju pistmist.
Kvantmootorite tulevik
Varsti näeme kvanttehnoloogiate kõrgpunkti ja siis saavad kvantkütuse mootorid palju aidata.
Köögikülmiku kasutamine mikrosüsteemide jahutamiseks selle ebakorrektse toimimise tõttu ei toimi - keskmiselt on temperatuur selles madal, kuid kohapeal võib see jõuda lubamatu väärtuseni.
Tänu kvanttermodünaamika tihedale seosele teabega saame oma teadmisi (teavet) kasutada kohaliku töö teostamiseks - näiteks kvantdeemoni Maxwelli rakendamiseks, kasutades mitmetasandilisi süsteeme, kvantarvuti jahutamiseks (oleku puhastamiseks).
Mis puutub laiemas kvantmootoritesse, siis on veel vara väita, et selline mootor asendab sisepõlemismootori. Siiani on ühe aatomi mootoritel liiga madal efektiivsus.
Kuid intuitiivselt on selge, et paljude vabadusastmetega makroskoopilise süsteemi kasutamisel on meil võimalik saada ainult väike osa kasulikust tööst, sest sellist süsteemi saab juhtida ainult keskmiselt. Kvantmootorite kontseptsioonis on võimalik süsteeme tõhusamalt juhtida.
Praegu on nanomõõtmeliste soojusmootorite teaduses palju teoreetilisi ja inseneriküsimusi. Näiteks on suur probleem kvantkõikumised, mis võivad tekitada "kvanthõõrdumist", kehtestades täiendava entroopia ja vähendades mootori efektiivsust.
Füüsikud ja insenerid tegelevad nüüd aktiivselt kvanttöövedeliku optimaalse juhtimisega ning nansoojendi ja nano jahuti loomisega. Varem või hiljem aitab kvantfüüsika meil luua uue kasulike seadmete klassi.
Mihhail Perelstein
