Orang telah belajar untuk membina enjin pembakaran dalaman yang sangat kuat, tetapi mereka tidak mengetahui perkara utama - peningkatan kecekapan yang ketara. Batasan pada jalan ini ditetapkan oleh undang-undang termodinamika kedua, yang menyatakan bahawa entropi sistem pasti akan meningkat. Tetapi adakah mungkin untuk mengatasi had ini dengan bantuan fizik kuantum? Ternyata itu mungkin, tetapi untuk ini perlu difahami bahawa entropi bersifat subjektif, dan panas dan kerja jauh dari satu-satunya bentuk tenaga yang mungkin. Untuk maklumat lebih lanjut mengenai enjin kuantum, bagaimana ia disusun dan kemampuannya, baca bahan kami.
Lebih dari 300 tahun pengembangan teknologi untuk mengira, merancang dan merancang enjin, masalah membuat mesin dengan faktor kecekapan tinggi belum dapat diselesaikan, walaupun sangat penting bagi banyak bidang sains dan teknologi.
Fizik kuantum, yang ditemui pada awal abad ke-20, telah memberikan kita banyak kejutan dalam dunia teknologi: teori atom, semikonduktor, laser dan, akhirnya, komputer kuantum. Penemuan ini didasarkan pada sifat luar biasa zarah subatomik, iaitu, korelasi kuantum di antara mereka - cara kuantum murni untuk bertukar maklumat.
Dan nampaknya fizik kuantum bersedia untuk mengejutkan kita lagi: bertahun-tahun perkembangan termodinamik kuantum telah membolehkan ahli fizik menunjukkan bahawa enjin haba kuantum dapat mempunyai kecekapan tinggi pada skala kecil, tidak dapat diakses oleh mesin klasik.
Mari kita lihat apa itu termodinamik kuantum, bagaimana enjin haba berfungsi, peningkatan apa yang diberikan oleh fizik kuantum dan apa yang perlu dilakukan untuk mencipta mesin masa depan yang cekap.
Enjin haba klasik
Dalam bukunya tahun 1824, Reflections on the Motive Force of Fire, jurutera Perancis berusia 28 tahun, Carn Carnot, mengetahui bagaimana enjin wap dapat mengubah haba dengan berkesan menjadi kerja yang membuat piston bergerak atau putaran roda.
Video promosi:
Yang mengejutkan Carnot, kecekapan enjin yang ideal hanya bergantung pada perbezaan suhu antara sumber haba mesin (pemanas, biasanya api) dan pendingin (peti sejuk, biasanya udara ambien).
Carnot menyedari bahawa kerja adalah hasil sampingan dari peralihan haba semula jadi dari badan yang panas ke yang sejuk.
Skema kerja mesin haba.
Dalam mesin haba, kitaran berikut digunakan. Panas Q 1 dibekalkan dari pemanas dengan suhu t 1 ke bendalir kerja, sebahagian panas Q 2 dikeluarkan ke peti sejuk dengan suhu t 2, t 1> t 2.
Kerja yang dilakukan oleh mesin haba adalah sama dengan perbezaan antara haba yang dibekalkan dan yang dikeluarkan: A = Q 1 - Q 2, dan kecekapan η akan sama dengan η = A / Q 1.
Carnot menunjukkan bahawa kecekapan mana-mana enjin haba tidak boleh melebihi kecekapan enjin haba ideal yang beroperasi dalam kitarannya dengan suhu pemanas dan peti sejuk yang sama ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Membuat enjin haba yang cekap adalah penghampiran maksimum yang sebenarnya Kecekapan η hingga ηCarnot yang ideal.
Sadi Carnot meninggal dunia akibat kolera lapan tahun kemudian - sebelum dia dapat melihat bagaimana, sudah pada abad ke-19, formula kecekapannya berubah menjadi teori termodinamik klasik - sekumpulan undang-undang universal yang menghubungkan suhu, panas, kerja, tenaga dan entropi.
Termodinamik klasik menerangkan sifat statistik sistem dengan mengurangkan mikroparameter, seperti kedudukan dan halaju zarah, ke makroparameter: suhu, tekanan, dan isipadu. Undang-undang termodinamika ternyata berlaku tidak hanya untuk mesin wap, tetapi juga untuk Matahari, lubang hitam, makhluk hidup dan seluruh Alam Semesta.
Teori ini begitu sederhana dan umum sehingga Albert Einstein percaya bahawa ia "tidak akan pernah digulingkan." Namun, sejak awal lagi, termodinamik mempunyai kedudukan yang sangat aneh di antara teori-teori alam semesta yang lain.
"Sekiranya teori fizikal adalah manusia, termodinamik akan menjadi penyihir desa," tulis ahli fizik Lydia del Rio beberapa tahun lalu. "Teori lain menganggapnya pelik, berbeza dari yang lain, tetapi semua orang menghampirinya untuk meminta nasihat dan tidak ada yang berani bertentangan dengannya."
Termodinamik tidak pernah mengaku sebagai kaedah universal untuk menganalisis dunia di sekitar kita, melainkan cara untuk menggunakan dunia ini dengan berkesan.
Termodinamik memberitahu kita bagaimana memanfaatkan sebahagian besar sumber seperti gas panas atau logam magnet untuk mencapai tujuan tertentu, sama ada menggerakkan kereta api atau memformat cakera keras.
Keserbagunaannya berasal dari kenyataan bahawa ia tidak cuba memahami perincian mikroskopik sistem individu, tetapi hanya peduli untuk menentukan operasi mana yang mudah dilaksanakan dalam sistem ini dan mana yang sukar.
Pendekatan ini mungkin kelihatan aneh bagi para saintis, tetapi secara aktif digunakan dalam fizik, sains komputer, ekonomi, matematik dan banyak tempat lain.
Salah satu ciri yang pelik dari teori adalah subjektiviti peraturannya. Sebagai contoh, gas yang terdiri daripada zarah dengan suhu yang sama rata-rata mempunyai perbezaan suhu mikroskopik setelah diperiksa lebih dekat.
Dalam beberapa tahun terakhir, pemahaman revolusioner mengenai termodinamika telah muncul, menjelaskan subjektivitas ini melalui teori maklumat kuantum, yang menggambarkan penyebaran maklumat melalui sistem kuantum.
Sama seperti termodinamik pada asalnya tumbuh dari usaha untuk memperbaiki enjin wap, termodinamik moden menggambarkan pengoperasian mesin kuantum - nanopartikel yang dikawal.
Untuk penerangan yang betul, kami terpaksa memperluas termodinamik ke wilayah kuantum, di mana konsep seperti suhu dan kerja kehilangan makna biasa, dan undang-undang klasik mekanik berhenti berfungsi.
Termodinamik kuantum
Kelahiran termodinamik kuantum
Dalam surat bertarikh 1867 kepada rakannya dari Scotland, Peter Tate, ahli fizik terkenal James Clark Maxwell merumuskan paradoks terkenal, yang mengisyaratkan hubungan antara termodinamik dan maklumat.
Paradoks berkenaan undang-undang termodinamik kedua - peraturan bahawa entropi selalu meningkat. Seperti yang diperhatikan oleh Sir Arthur Eddington, peraturan ini "menempati kedudukan yang dominan di antara hukum alam."
Menurut undang-undang kedua, tenaga menjadi lebih tidak teratur dan kurang berguna kerana bergerak dari badan panas ke sejuk dan perbezaan suhu menurun.
Dan seperti yang kita ingat dari penemuan Carnot, badan yang panas dan sejuk diperlukan untuk melakukan kerja yang bermanfaat. Api padam, cawan kopi pagi menyejuk, dan alam semesta bergegas menuju keadaan suhu seragam yang dikenali sebagai kematian panas alam semesta.
Ahli fizik Austria yang hebat, Ludwig Boltzmann menunjukkan bahawa peningkatan entropi adalah akibat undang-undang statistik matematik biasa: terdapat lebih banyak cara untuk mengagihkan tenaga secara sekata antara zarah daripada kepekatan tempatannya. Apabila zarah bergerak, secara semula jadi mereka cenderung ke keadaan entropi yang lebih tinggi.
Tetapi surat Maxwell menggambarkan eksperimen pemikiran di mana makhluk yang tercerahkan - yang kemudian disebut setan Maxwell - menggunakan pengetahuannya untuk mengurangkan entropi dan melanggar undang-undang kedua.
Iblis yang maha kuasa mengetahui kedudukan dan kelajuan setiap molekul dalam bekas gas. Dengan membahagikan bekas ke dalam dua bahagian dan membuka dan menutup pintu kecil di antara dua ruang, iblis hanya membiarkan molekul cepat dalam satu arah dan hanya yang perlahan di bahagian lain.
Tindakan iblis membahagikan gas menjadi panas dan sejuk, menumpukan tenaganya dan mengurangkan jumlah entropi. Gas yang tidak berguna dengan suhu rata-rata tertentu kini boleh digunakan dalam mesin panas.
Selama bertahun-tahun, Maxwell dan yang lain bertanya-tanya bagaimana hukum alam boleh bergantung pada mengetahui atau tidak mengetahui kedudukan dan kelajuan molekul. Sekiranya undang-undang termodinamik kedua bergantung pada maklumat ini, maka bagaimana kebenaran itu benar?
Hubungan termodinamik dengan maklumat
Satu abad kemudian, ahli fizik Amerika Charles Bennett, yang menggunakan karya Leo Szilard dan Rolf Landauer, menyelesaikan paradoks tersebut dengan menghubungkan termodinamika secara rasmi dengan sains maklumat. Bennett berpendapat bahawa pengetahuan syaitan itu tersimpan dalam ingatannya, dan ingatan mesti dihapus, yang memerlukan kerja.
Pada tahun 1961, Landauer mengira bahawa pada suhu bilik, komputer memerlukan sekurang-kurangnya 2.9 x 10-21 joule untuk menghapus satu bit maklumat yang tersimpan. Dengan kata lain, apabila setan memisahkan molekul panas dan sejuk, mengurangkan entropi gas, kesadarannya menghabiskan tenaga, dan total entropi sistem gas + syaitan meningkat tanpa melanggar hukum termodinamika kedua.
Penyelidikan menunjukkan bahawa maklumat adalah kuantiti fizikal - semakin banyak maklumat yang anda ada, semakin banyak kerja yang dapat anda peroleh. Syaitan Maxwell mencipta karya dari gas pada satu suhu, kerana dia mempunyai lebih banyak maklumat daripada pemerhati biasa.
Diperlukan setengah abad lagi dan masa kejayaan teori maklumat kuantum, bidang yang dilahirkan dalam usaha mengejar komputer kuantum, bagi ahli fizik untuk mengkaji secara terperinci implikasi mengejutkan idea Bennett.
Selama dekad yang lalu, ahli fizik menganggap bahawa tenaga bergerak dari objek panas ke objek sejuk kerana cara tertentu menyebarkan maklumat antara zarah.
Menurut teori kuantum, sifat fizikal zarah adalah probabilistik dan zarah boleh berada di superposisi keadaan. Apabila mereka berinteraksi, mereka terjerat dengan menggabungkan taburan kebarangkalian yang menggambarkan keadaan mereka.
Kedudukan utama teori kuantum adalah pernyataan bahawa maklumat tidak pernah hilang, iaitu keadaan Alam Semesta sekarang menyimpan semua maklumat mengenai masa lalu. Walau bagaimanapun, seiring berjalannya waktu, ketika zarah-zarah itu berinteraksi dan semakin terjerat, maklumat mengenai keadaan masing-masing dicampur dan diedarkan di antara semakin banyak zarah.
Cawan kopi menyejuk ke suhu bilik, kerana ketika molekul kopi bertabrakan dengan molekul udara, informasi yang menyandarkan tenaga kopi bocor keluar, disebarkan ke udara sekitarnya dan hilang di dalamnya.
Walau bagaimanapun, memahami entropi sebagai ukuran subjektif membolehkan Alam Semesta secara keseluruhan berkembang tanpa kehilangan maklumat. Walaupun entropi bahagian-bahagian Alam Semesta, misalnya, zarah gas, kopi, pembaca N + 1, tumbuh apabila maklumat kuantum mereka hilang di Alam Semesta, entropi global Alam Semesta selalu kekal sifar.
Enjin haba kuantum
Bagaimana, sekarang, dengan menggunakan pemahaman yang lebih mendalam mengenai termodinamik kuantum, untuk membina mesin haba?
Pada tahun 2012, Pusat Penyelidikan Eropah Teknologi untuk Thermodinamik Kuantum telah ditubuhkan dan kini mempekerjakan lebih dari 300 saintis dan jurutera.
Pasukan pusat ini berharap dapat menyelidiki undang-undang yang mengatur peralihan kuantum pada motor kuantum dan peti sejuk yang suatu hari nanti dapat menyejukkan komputer atau digunakan dalam panel surya, bioengineering, dan aplikasi lain.
Penyelidik sudah memahami jauh lebih baik daripada apa yang mampu dilakukan oleh mesin kuantum.
Mesin haba adalah alat yang menggunakan cecair kerja kuantum dan dua takungan pada suhu yang berbeza (pemanas dan penyejuk) untuk mengekstrak kerja. Kerja adalah pemindahan tenaga dari enjin ke beberapa mekanisme luaran tanpa mengubah entropi mekanisme.
Sebaliknya, haba adalah pertukaran tenaga antara cecair kerja dan takungan, yang mengubah entropi takungan. Dengan hubungan lemah antara takungan dan cecair kerja, haba dikaitkan dengan suhu dan dapat dinyatakan sebagai dQ = TdS, di mana dS adalah perubahan entropi takungan.
Dalam mesin haba kuantum asas, cecair kerja terdiri daripada satu zarah. Motor seperti itu memenuhi undang-undang kedua dan oleh itu juga dibatasi oleh had kecekapan Carnot.
Apabila medium kerja bersentuhan dengan takungan, populasi tahap tenaga berubah dalam medium kerja. Harta takrif yang menentukan adalah kemampuannya membawa cecair kerja ke suhu tertentu, tanpa mengira keadaan awal badan.
Dalam kes ini, suhu adalah parameter keadaan kuantum sistem, dan bukan makroparameter, seperti dalam termodinamika klasik: kita dapat berbicara tentang suhu sebagai populasi tahap tenaga.
Dalam proses pertukaran tenaga dengan takungan, badan juga bertukar entropi; oleh itu, pertukaran tenaga pada tahap ini dianggap sebagai pemindahan haba.
Sebagai contoh, pertimbangkan kitaran Otto kuantum, di mana sistem dua peringkat akan berfungsi sebagai cecair berfungsi. Dalam sistem sedemikian, terdapat dua tahap tenaga, yang masing-masing dapat dihuni; biarkan tenaga aras tanah E 1, dan tahap teruja E 2. Kitaran Otto terdiri daripada 4 peringkat:
I. Jarak antara tahap E 1 dan E 2 meningkat dan menjadi Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Terdapat hubungan dengan pemanas, sistem memanas, iaitu, tahap tenaga atas dihuni dan entropi cairan kerja berubah. Interaksi ini berlangsung lama τ 1.
III. Terdapat pemampatan antara tahap E 1 dan E 2, iaitu, ada kerja pada sistem, sekarang jarak antara level adalah Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Tubuh bersentuhan dengan peti sejuk untuk waktu τ 2, yang memberi peluang untuk bersantai, untuk mengosongkan tingkat atas. Tingkat bawah kini dihuni sepenuhnya.
Di sini kita tidak dapat mengatakan apa-apa mengenai suhu cecair kerja, hanya suhu pemanas dan peti sejuk. Karya yang sempurna boleh ditulis sebagai:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
di mana p 0 (1) adalah kebarangkalian cecair kerja berada dalam keadaan tanah (teruja). Kecekapan enjin empat lejang kuantum ini adalah η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Kitaran Otto pada sistem dua tahap kuantum.
Sebagai contoh, adalah mungkin untuk membina mesin kuantum di mana qubit superkonduktor memainkan peranan sebagai bendalir kerja, dan dua perintang normal dengan rintangan yang berbeza digunakan sebagai pemanas dan peti sejuk.
Perintang ini menghasilkan bunyi yang mempunyai suhu ciri: kebisingan besar - pemanas, kecil - peti sejuk.
Pengoperasian enjin yang betul ditunjukkan dalam karya para saintis dari Universiti Aalto di Finland.
Dalam pelaksanaan kitaran Otto, perbezaan antara tahap tenaga dapat dimodulasi oleh fluks magnet tetap, iaitu "memeras" atau "memperluas" tahap, dan mengaktifkan interaksi dengan takungan diperoleh dengan baik oleh isyarat gelombang mikro pendek.
Pada tahun 2015, para saintis di Hebrew University of Jerusalem mengira bahawa motor kuantum seperti itu dapat mengatasi rakan-rakan klasik.
Enjin probabilistik ini masih mengikuti formula Carnot untuk kecekapan dari segi berapa banyak kerja yang dapat mereka peroleh dari tenaga yang mengalir antara badan panas dan sejuk. Tetapi mereka dapat mengambil kerja dengan lebih pantas.
Enjin ion tunggal ditunjukkan secara eksperimen dan dipersembahkan pada tahun 2016, walaupun tidak menggunakan kesan kuantum untuk memperkuat daya.
Baru-baru ini, enjin haba kuantum berdasarkan resonans magnetik nuklear dibina, yang kecekapannya hampir dengan ηCarnot yang ideal.
Enjin haba kuantum juga dapat digunakan untuk menyejukkan kedua-dua sistem besar dan mikroskopik, seperti qubit dalam komputer kuantum.
Menyejukkan mikrosistem bermaksud mengurangkan populasi pada tahap teruja dan mengurangkan entropi. Ini dapat dilakukan melalui kitaran termodinamik yang sama dengan pemanas dan peti sejuk, tetapi berjalan ke arah yang bertentangan.
Pada bulan Mac 2017, sebuah artikel diterbitkan di mana, dengan menggunakan teori maklumat kuantum, undang-undang termodinamik ketiga diturunkan - pernyataan mengenai kemustahilan mencapai suhu sifar mutlak.
Penulis artikel menunjukkan bahawa batasan kadar penyejukan, yang menghalang pencapaian sifar mutlak, timbul dari batasan seberapa cepat maklumat dapat dipompa keluar dari zarah dalam objek berukuran terbatas.
Had laju mempunyai kaitan dengan keupayaan penyejukan peti sejuk kuantum.
Masa depan mesin kuantum
Tidak lama lagi kita akan melihat kejayaan teknologi kuantum, dan kemudian mesin haba kuantum dapat banyak membantu.
Ia tidak akan berfungsi menggunakan peti sejuk dapur untuk menyejukkan mikrosistem kerana pengoperasiannya yang tidak menentu - rata-rata, suhu di dalamnya rendah, tetapi secara tempatan ia dapat mencapai nilai yang tidak dapat diterima.
Oleh kerana hubungan termodinamik kuantum dengan maklumat dekat, kami dapat menggunakan pengetahuan (maklumat) kami untuk melakukan kerja tempatan - sebagai contoh, untuk melaksanakan Maxwell setan kuantum menggunakan sistem bertingkat untuk menyejukkan (membersihkan keadaan) qubit dalam komputer kuantum.
Sejauh enjin kuantum pada skala yang lebih besar, masih terlalu awal untuk berpendapat bahawa enjin sedemikian akan menggantikan mesin pembakaran dalaman. Setakat ini, enjin atom tunggal mempunyai kecekapan yang terlalu rendah.
Namun, secara intuitif jelas bahawa ketika menggunakan sistem makroskopik dengan banyak tahap kebebasan, kita akan dapat mengekstrak sebahagian kecil saja dari pekerjaan yang berguna, kerana sistem semacam itu hanya dapat dikendalikan secara rata-rata. Dalam konsep motor kuantum, sistem kawalan dapat dilakukan dengan lebih berkesan.
Pada masa ini, terdapat banyak masalah teori dan kejuruteraan dalam sains enjin haba nano. Sebagai contoh, fluktuasi kuantum adalah masalah besar, yang boleh membuat "geseran kuantum", memperkenalkan entropi tambahan dan mengurangkan kecekapan mesin.
Ahli fizik dan jurutera kini secara aktif berusaha untuk mengendalikan kawalan optimum cecair kerja kuantum dan penciptaan nanheater dan nanocooler. Cepat atau lambat, fizik kuantum akan membantu kita membuat kelas baru peranti berguna.
Mikhail Perelstein
