Lidé se naučili stavět velmi výkonné spalovací motory, ale nenaučili se hlavní věci - výrazného zvýšení jejich účinnosti. Limit na této cestě je stanoven druhým zákonem termodynamiky, který uvádí, že entropie systému se nevyhnutelně zvyšuje. Je však možné překročit tento limit pomocí kvantové fyziky? Ukázalo se, že je to možné, ale z tohoto důvodu bylo nutné pochopit, že entropie je subjektivní, a teplo a práce nejsou zdaleka jediné možné formy energie. Pro více informací o tom, jaké kvantové motory jsou, jak jsou uspořádány a čeho jsou schopny, si přečtěte náš materiál.
Více než 300 let vývoje technologie pro výpočet, navrhování a navrhování motorů nebyl problém s vytvořením stroje s vysokým faktorem účinnosti vyřešen, ačkoli je to pro mnoho oblastí vědy a techniky kritické.
Kvantová fyzika, objevená na počátku 20. století, nám již přinesla mnoho překvapení ve světě technologií: atomová teorie, polovodiče, lasery a nakonec i kvantové počítače. Tyto objevy jsou založeny na neobvyklých vlastnostech subatomových částic, jmenovitě na kvantových korelacích mezi nimi - čistě kvantovém způsobu výměny informací.
A zdá se, že kvantová fyzika je připravena nás znovu překvapit: let vývoje kvantové termodynamiky umožnilo fyzikům ukázat, že kvantové tepelné motory mohou mít vysokou účinnost v malém měřítku, které jsou pro klasické stroje nepřístupné.
Pojďme se podívat na to, co je kvantová termodynamika, jak fungují tepelné motory, jaké zlepšení poskytuje kvantová fyzika a co je třeba udělat, aby se vytvořil účinný motor budoucnosti.
Klasické tepelné motory
Ve své knize 1824, Reflections on the Motive Force of Fire, 28letý francouzský inženýr Sadi Carnot přišel na to, jak parní stroje mohou efektivně přeměnit teplo na práci, které způsobí pohyb pístu nebo otáčení kola.
Propagační video:
K Carnotovu překvapení závisí účinnost ideálního motoru pouze na teplotním rozdílu mezi tepelným zdrojem motoru (topení, obvykle oheň) a chladičem (lednice, obvykle okolní vzduch).
Carnot si uvědomil, že práce je vedlejší produkt přirozeného přechodu tepla z horkého na chladné tělo.
Schéma práce tepelného motoru.
U tepelných motorů se používá následující cyklus. Teplo Q 1 je přiváděno z ohřívače s teplotou t 1 do pracovní tekutiny, část tepla Q2 je odváděna do chladničky s teplotou t2, t1> t2.
Práce tepelného motoru se rovná rozdílu mezi přiváděným a odebraným teplem: A = Q 1 - Q 2 a účinnost η se rovná η = A / Q 1.
Carnot ukázal, že účinnost jakéhokoli tepelného motoru nemůže překročit účinnost ideálního tepelného motoru pracujícího v jeho cyklu se stejnými teplotami topení a chladničky ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Vytvoření účinného tepelného motoru je maximální aproximací reálného Účinnost η na ideální ηCarnot.
Sadi Carnot zemřel na choleru o osm let později - předtím, než viděl, jak se už v 19. století změnil jeho vzorec účinnosti v teorii klasické termodynamiky - soubor univerzálních zákonů, které se týkají teploty, tepla, práce, energie a entropie.
Klasická termodynamika popisuje statistické vlastnosti systémů redukcí mikroparametrů, jako jsou polohy a rychlosti částic, na makroparametry: teplota, tlak a objem. Termodynamické zákony se ukázaly být použitelné nejen pro parní stroje, ale také pro Slunce, černé díry, živé věci a celý vesmír.
Tato teorie je tak jednoduchá a obecná, že Albert Einstein věřil, že „nikdy nebude svržena“. Od samého začátku však termodynamika zaujímala mimořádně zvláštní postavení mezi ostatními teoriemi vesmíru.
"Kdyby byly fyzické teorie lidské, termodynamika by byla vesnickou čarodějnicí," napsala fyzikka Lydia del Rio před několika lety. "Jiné teorie ji považují za divné, odlišné od ostatních, ale každý k ní přichází o radu a nikdo se jí neodváží odporovat."
Termodynamika nikdy netvrdila, že je univerzální metodou pro analýzu světa kolem nás, je to spíše způsob, jak tento svět efektivně využít.
Termodynamika nám říká, jak co nejlépe využít zdroje, jako je horký plyn nebo magnetizovaný kov, k dosažení konkrétních cílů, ať už jde o pohyb vlaku nebo formátování pevného disku.
Jeho univerzálnost vyplývá ze skutečnosti, že se nesnaží porozumět mikroskopickým detailům jednotlivých systémů, ale zajímá pouze to, jaké operace lze v těchto systémech snadno implementovat a které jsou obtížné.
Tento přístup se může vědcům zdát divný, ale aktivně se používá ve fyzice, informatice, ekonomii, matematice a na mnoha dalších místech.
Jedním z nejpodivnějších rysů teorie je subjektivita jejích pravidel. Například plyn tvořený částicemi se stejnou teplotou v průměru má při bližší prohlídce mikroskopické teplotní rozdíly.
V posledních letech se objevilo revoluční chápání termodynamiky, které vysvětluje tuto subjektivitu pomocí teorie kvantové informace, která popisuje šíření informací prostřednictvím kvantových systémů.
Stejně jako termodynamika původně vycházela ze pokusů o zdokonalení parních strojů, moderní termodynamika popisuje provoz již kvantově řízených nanočástic řízených stroji.
Pro správný popis jsme nuceni rozšířit termodynamiku do kvantové oblasti, kde pojmy jako teplota a práce ztrácejí svůj obvyklý význam a klasické zákony mechaniky přestávají fungovat.
Kvantová termodynamika
Zrození kvantové termodynamiky
V dopise z roku 1867 svému skotskému kolegovi Peteru Tateovi slavný fyzik James Clark Maxwell formuloval slavný paradox a naznačoval spojení mezi termodynamikou a informacemi.
Paradox se týkal druhého termodynamického zákona - pravidlo, které entropie stále roste. Jak později poznamenal sir Arthur Eddington, toto pravidlo „zaujímá dominantní postavení mezi zákony přírody“.
Podle druhého zákona se energie stává neuspořádanou a méně užitečnou, protože putuje z horkých do studených těles a rozdílů v poklesu teploty.
A jak si vzpomínáme na Carnotův objev, horké a chladné tělo je vyžadováno, aby vykonalo užitečnou práci. Oheň zhasne, ranní kávové šálky vychladnou a vesmír se vrhne do stavu jednotné teploty známé jako tepelná smrt vesmíru.
Velký rakouský fyzik Ludwig Boltzmann ukázal, že nárůst entropie je důsledkem zákonů obyčejné matematické statistiky: existuje mnohem více způsobů, jak rovnoměrně distribuovat energii mezi částicemi, než pro lokální koncentraci. Když se částice pohybují, přirozeně mají tendenci k vyšším stavům entropie.
Ale Maxwellův dopis popsal myšlenkový experiment, ve kterém osvícená bytost - později nazývaná Maxwellovým démonem - využívá své znalosti ke snížení entropie a porušování druhého zákona.
Všemohoucí démon zná polohu a rychlost každé molekuly v nádobě s plynem. Rozdělením kontejneru na dvě poloviny a otevřením a zavřením malých dveří mezi oběma komorami démon umožňuje pouze rychlé molekuly v jednom směru a pouze ve druhém zpomalit.
Akce démona dělí plyn na horký a studený, soustředí jeho energii a snižuje celkovou entropii. V tepelném motoru lze nyní použít kdysi nepoužitelný plyn s určitou průměrnou teplotou.
Po mnoho let se Maxwell a další divili, jak může zákon přírody záviset na poznání nebo nepoznání polohy a rychlosti molekul. Pokud je na této informaci subjektivně závislý druhý zákon termodynamiky, jak může být absolutní pravda?
Vztah termodynamiky k informacím
O století později, americký fyzik Charles Bennett, čerpající z práce Leo Szilarda a Rolfa Landauera, vyřešil paradox formálním propojením termodynamiky s vědou informací. Bennett argumentoval, že démonovy znalosti jsou uloženy v jeho paměti a paměť musí být vymazána, což vyžaduje práci.
V roce 1961 vypočítal Landauer, že při pokojové teplotě potřebuje počítač alespoň 2,9 x 10-21 joulů, aby vymazal jeden bit uložených informací. Jinými slovy, když démon odděluje horké a studené molekuly, snižuje entropii plynu, jeho vědomí spotřebovává energii a celková entropie systému plyn + démon se zvyšuje bez porušení druhého zákona termodynamiky.
Výzkum ukázal, že informace jsou fyzickým množstvím - čím více informací máte, tím více práce můžete extrahovat. Maxwellův démon vytváří práci z plynu při jedné teplotě, protože má mnohem více informací než obyčejný pozorovatel.
Trvalo další půlstoletí a rozkvět kvantové informační teorie, pole, které se zrodilo z úsilí o kvantový počítač, aby fyzikové podrobně prostudovali překvapivé důsledky Bennettovy myšlenky.
Během posledního desetiletí se fyzici domnívají, že energie putuje z horkých předmětů k studeným objektům kvůli určitému způsobu šíření informací mezi částicemi.
Podle kvantové teorie jsou fyzikální vlastnosti částic pravděpodobnostní a částice mohou být v superpozici stavů. Když interagují, stanou se zapletenými spojením pravděpodobnostních rozdělení popisujících jejich stavy.
Ústředním bodem kvantové teorie je prohlášení, že informace se nikdy neztratí, to znamená, že současný stav vesmíru si uchovává veškeré informace o minulosti. Postupem času, kdy částice interagují a stávají se stále více zapletenými, se informace o jejich jednotlivých stavech mísí a distribuují mezi stále více částic.
Šálek kávy se ochladí na pokojovou teplotu, protože když se molekuly kávy srazí s molekulami vzduchu, informace kódující energii kávy uniká ven, je přenesena do okolního vzduchu a je v ní ztracena.
Pochopení entropie jako subjektivního opatření však umožňuje vesmíru jako celku rozvíjet se bez ztráty informací. I když entropie částí vesmíru, například plynných částic, kávy, čtenářů N + 1, roste, zatímco jejich kvantové informace jsou ve vesmíru ztraceny, globální entropie vesmíru zůstává vždy nulová.
Kvantové tepelné motory
Jak nyní pomocí hlubšího pochopení kvantové termodynamiky postavit tepelný motor?
V roce 2012 bylo zřízeno Technologické evropské výzkumné středisko pro kvantovou termodynamiku, které v současné době zaměstnává přes 300 vědců a inženýrů.
Tým centra doufá, že prozkoumá zákony upravující kvantové přechody v kvantových motorech a chladničkách, které by mohly někdy ochladit počítače nebo být použity ve solárních panelech, bioinženýrství a dalších aplikacích.
Vědci již rozumějí mnohem lépe než dříve, co jsou kvantové motory schopny.
Tepelný motor je zařízení, které využívá kvantovou pracovní tekutinu a dva zásobníky při různých teplotách (ohřívač a chladič) pro extrakci práce. Práce je přenos energie z motoru na nějaký vnější mechanismus, aniž by se měnila entropie mechanismu.
Na druhé straně teplo je výměna energie mezi pracovní tekutinou a zásobníkem, která mění entropii zásobníku. Při slabém propojení mezi zásobníkem a pracovní tekutinou souvisí teplo s teplotou a může být vyjádřeno jako dQ = TdS, kde dS je změna entropie zásobníku.
V elementárním kvantovém tepelném motoru se pracovní tekutina skládá z jedné částice. Takový motor vyhovuje druhému zákonu, a proto je také omezen limitem účinnosti Carnot.
Když se pracovní médium dostane do kontaktu s rezervoárem, mění se populace energetických hladin v pracovním médiu. Definující vlastnost zásobníku je jeho schopnost uvést pracovní tekutinu na danou teplotu, bez ohledu na počáteční stav těla.
V tomto případě je teplota parametrem kvantového stavu systému, a nikoli makroparametrem, jako v klasické termodynamice: můžeme hovořit o teplotě jako o populaci energetických hladin.
Při procesu výměny energie s rezervoárem si tělo také vyměňuje entropii, proto je výměna energie v této fázi považována za přenos tepla.
Zvažte například kvantový Ottoův cyklus, ve kterém bude dvouúrovňový systém fungovat jako pracovní tekutina. V takovém systému existují dvě energetické úrovně, z nichž každá může být naplněna; nechat energii úrovně země být E 1 a vzrušená úroveň E 2. Ottov cyklus se skládá ze 4 stupňů:
I. Vzdálenost mezi úrovněmi E 1 a E 2 se zvětšuje a stává se A 1 = E 1 - E 2.
II. Je zde kontakt s ohřívačem, systém se zahřívá, to znamená, že je naplněna horní úroveň energie a mění se entropie pracovní tekutiny. Tato interakce trvá čas τ 1.
III. Mezi úrovněmi E 1 a E 2 je komprese, to znamená, že na systému je práce, nyní jsou vzdálenosti mezi úrovněmi A 2 = E 1 - E 2.
IV. Tělo se na čas dostane do kontaktu s lednicí τ 2, což mu dává příležitost k relaxaci a vyprázdnění horní úrovně. Spodní úroveň je nyní naplněna.
Zde nemůžeme říci nic o teplotě pracovní tekutiny, pouze o teplotách topného tělesa a chladničky. Dokonalou práci lze napsat jako:
dW = (p 0 (τ 1) - pi (τ 2)) (A 1 - A 2), (1)
kde p 0 (1) je pravděpodobnost, že pracovní tekutina byla v zemním (vzrušeném) stavu. Účinnost tohoto kvantového čtyřtaktního motoru je η = 1 - Δ 1 / Δ2.
Otto cyklus na kvantovém dvouúrovňovém systému.
Například je možné postavit kvantový motor, ve kterém supravodivý qubit hraje roli pracovní tekutiny, a dva normální odpory s různými odpory se používají jako ohřívač a lednička.
Tyto rezistory generují hluk, který má charakteristickou teplotu: velký hluk - topení, malý - lednička.
Správný provoz takového motoru byl prokázán v práci vědců z Aalto University ve Finsku.
Při provádění Ottovho cyklu může být rozdíl mezi energetickými hladinami modulován konstantním magnetickým tokem, tj. „Stlačit“nebo „rozšířit“úrovně a zapnutí interakce s nádržemi bylo dokonale dosaženo krátkými mikrovlnnými signály.
V roce 2015 vědci na hebrejské univerzitě v Jeruzalémě počítali, že takové kvantové motory mohou překonat klasické protějšky.
Tyto pravděpodobnostní motory stále dodržují Carnotův vzorec účinnosti, pokud jde o to, kolik práce mohou extrahovat z energie procházející mezi horkými a studenými těly. Ale jsou schopni získat práci mnohem rychleji.
Jednoiontový motor byl experimentálně demonstrován a představen v roce 2016, i když k amplifikaci energie nepoužíval kvantové efekty.
Nedávno byl postaven kvantový tepelný motor založený na jaderné magnetické rezonanci, jehož účinnost byla velmi blízko ideální ηCarnot.
Kvantové tepelné motory lze také použít k chlazení velkých i mikroskopických systémů, jako jsou qubity v kvantovém počítači.
Chlazení mikrosystému znamená snižování populací na vzrušených úrovních a snižování entropie. Toho lze dosáhnout stejnými termodynamickými cykly zahrnující ohřívač a chladničku, ale běží opačným směrem.
V březnu 2017 byl publikován článek, ve kterém byla pomocí kvantové informační teorie odvozen třetí termodynamický zákon - prohlášení o nemožnosti dosažení absolutní nulové teploty.
Autoři článku ukázali, že omezení rychlosti chlazení, které brání dosažení absolutní nuly, vyplývá z omezení toho, jak rychle mohou být informace čerpány z částic v předmětu konečné velikosti.
Omezení rychlosti má mnoho společného s chladicími schopnostmi kvantových chladniček.
Budoucnost kvantových motorů
Brzy uvidíme rozkvět kvantových technologií a pak kvantové tepelné motory mohou hodně pomoci.
Pro chlazení mikrosystémů nebude fungovat kvůli chlazení v chladničce - v průměru je teplota v ní nízká, ale lokálně může dosáhnout nepřijatelných hodnot.
Díky úzkému propojení kvantové termodynamiky s informacemi jsme schopni využít naše znalosti (informace) k provádění místní práce - například k implementaci kvantového démona Maxwella pomocí víceúrovňových systémů k chlazení (očištění stavu) qubitů v kvantovém počítači.
Pokud jde o kvantové motory ve větším měřítku, je příliš brzy argumentovat, že takový motor nahradí motor s vnitřním spalováním. Dosud mají jednoatomové motory příliš nízkou účinnost.
Je však intuitivně jasné, že při použití makroskopického systému s mnoha stupni volnosti budeme moci extrahovat pouze malou část užitečné práce, protože takový systém lze ovládat pouze průměrně. V konceptu kvantových motorů je možné účinněji řídit systémy.
V současné době existuje ve vědě o tepelných motorech s nanočásticemi mnoho teoretických a technických problémů. Například, kvantové fluktuace jsou velkým problémem, který může vytvářet „kvantové tření“, zavádět extra entropii a snižovat účinnost motoru.
Fyzici a inženýři nyní aktivně pracují na optimálním řízení kvantové pracovní tekutiny a na tvorbě nanohřívače a nanocooleru. Kvantová fyzika nám dříve nebo později pomůže vytvořit novou třídu užitečných zařízení.
Michail Perelstein