Ihmiset ovat oppineet rakentamaan erittäin tehokkaita polttomoottoreita, mutta he eivät ole oppineet pääasiallista asiaa - huomattavaa lisäystä niiden tehokkuuteen. Tämän polun rajan asettaa termodynamiikan toinen laki, jonka mukaan järjestelmän entroopia väistämättä kasvaa. Mutta onko mahdollista ylittää tämä raja kvanttifysiikan avulla? Kävi ilmi, että se on mahdollista, mutta tätä varten oli tarpeen ymmärtää, että entropia on subjektiivista ja lämpö ja työ ovat kaukana ainoista mahdollisista energian muodoista. Lisätietoja materiaalistamme siitä, mitkä ovat kvantimoottorit, miten ne on järjestetty ja mihin ne kykenevät.
300 vuoden ajan moottorien laskenta-, suunnittelu- ja rakennustekniikan kehitystyön aikana korkean hyötysuhteen mukaisen koneen luomisongelmaa ei ole ratkaistu, vaikka se on kriittinen monille tieteen ja tekniikan aloille.
1900-luvun alussa löydetty kvanttifysiikka on jo esittänyt meille monia yllätyksiä tekniikan maailmassa: atomiteoria, puolijohteet, laserit ja lopulta kvantitietokoneet. Nämä löytöt perustuvat subatomisten hiukkasten epätavallisiin ominaisuuksiin, nimittäin niiden välisiin kvanttikorrelaatioihin - puhtaasti kvantitapoihin tietojen vaihtamiseksi.
Ja näyttää siltä, että kvanttifysiikka on valmis yllättämään meidät jälleen kerran: Kvantitermodynamiikan kehitystyö on vuosien mittaan antanut fyysikoille mahdollisuuden osoittaa, että kvanttilämpömoottorilla voi olla korkea hyötysuhde pienissä mittakaavoissa, joihin klassiset koneet eivät pääse.
Katsotaanpa mitä kvantitermodynamiikka on, miten lämpömoottorit toimivat, mitä parannuksia kvanttifysiikka antaa ja mitä on tehtävä tehokkaan tulevaisuuden moottorin luomiseksi.
Klassiset lämpömoottorit
28-vuotias ranskalainen insinööri Sadi Carnot selvitti 1824-kirjassaan Reflections on the Fire Motive of Fire, kuinka höyrykoneet voivat tehokkaasti muuntaa lämmön työksi, joka saa männän liikkumaan tai pyörän pyörimään.
Mainosvideo:
Carnotin yllätykseksi, että ihanteellisen moottorin tehokkuus riippui vain moottorin lämmönlähteen (lämmitin, yleensä palo) ja jäähdytyselementin (jääkaappi, yleensä ympäröivä ilma) lämpötilaerosta.
Carnot tajusi, että työ on sivutuote luonnolliselle lämmön siirtymiselle kuumasta kylmään vartaloon.
Lämpömoottorin toimintakaavio.
Lämpömoottoreissa käytetään seuraavaa sykliä. Lämpölämpö Q1 syötetään lämmittimestä lämpötilalla t 1 käyttönesteeseen, osa lämmöstä Q 2 poistetaan jääkaappiin lämpötilalla t 2, t 1> t 2.
Lämpömoottorin tekemä työ on yhtä suuri kuin syötetyn ja poistetun lämmön välinen ero: A = Q 1 - Q 2, ja hyötysuhde η on yhtä suuri kuin η = A / Q 1.
Carnot osoitti, että minkään lämpömoottorin hyötysuhde ei voi ylittää sen syklin aikana toimivan ihanteellisen lämpömoottorin hyötysuhdetta samoilla lämmittimen ja jääkaapin lämpötiloilla ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Tehokkaan lämpömoottorin luominen on todellisen maksimiarvon mukainen Tehokkuus η ihanteelliseen ηCarnot.
Sadi Carnot kuoli koleraan kahdeksan vuotta myöhemmin - ennen kuin hän näki, kuinka jo 1800-luvulla hänen tehokkuusmallinsa muuttui klassisen termodynamiikan teoriaksi - joukko yleismaailmallisia lakeja, jotka yhdistävät lämpötilan, lämmön, työn, energian ja entropian.
Klassinen termodynamiikka kuvaa järjestelmien tilastollisia ominaisuuksia vähentämällä mikroparametrit, kuten hiukkasten sijainnit ja nopeudet, makroparametriksi: lämpötila, paine ja tilavuus. Termodynamiikan lait osoittautuivat sovellettaviksi paitsi höyrykoneisiin myös aurinkoon, mustiin reikiin, eläviin esineisiin ja koko maailmankaikkeuteen.
Tämä teoria on niin yksinkertainen ja yleinen, että Albert Einstein uskoi, että sitä "ei koskaan kaadeta". Termodynamiikka oli kuitenkin alusta alkaen erittäin omituinen asema muiden maailmankaikkeuden teorioiden joukossa.
"Jos fyysiset teoriat olisivat ihmistä, termodynamiikka olisi kylä noita", kirjoitti fyysikko Lydia del Rio muutama vuosi sitten. "Muiden teorioiden mukaan hän on outo, erilainen kuin muut, mutta kaikki tulevat hänen puolelleen neuvoa varten, eikä kukaan uskalla olla ristiriidassa hänen kanssaan."
Termodynamiikka ei ole koskaan väittänyt olevan universaali menetelmä ympäröivän maailman analysoimiseksi, vaan se on tapa tehokkaasti käyttää tätä maailmaa.
Termodynamiikka kertoo meille kuinka hyödyntää resursseja, kuten kuuma kaasu tai magnetoitu metalli, tiettyjen tavoitteiden saavuttamiseksi, olipa kyse sitten junan liikuttamisesta tai kiintolevyn alustamisesta.
Sen monipuolisuus johtuu siitä, että se ei yritä ymmärtää yksittäisten järjestelmien mikroskooppisia yksityiskohtia, vaan välittää vain sen määrittämistä, mitkä toiminnot on helppo toteuttaa näissä järjestelmissä ja mitkä ovat vaikeita.
Tämä lähestymistapa voi tuntua oudolta tutkijoille, mutta sitä käytetään aktiivisesti fysiikassa, tietotekniikassa, taloustieteessä, matematiikassa ja monissa muissa paikoissa.
Yksi teorian outoista piirteestä on sen sääntöjen subjektiivisuus. Esimerkiksi kaasulla, joka koostuu hiukkasista, joilla on keskimäärin sama lämpötila, on mikroskooppiset lämpötilaerot tarkemmassa tarkastuksessa.
Viime vuosina on syntynyt vallankumouksellinen termodynamiikan käsitys, joka selittää tätä subjektiivisuutta kvantitietojen teorian avulla, joka kuvaa tiedon leviämistä kvanttijärjestelmien kautta.
Aivan kuten termodynamiikka kasvoi alun perin yrityksistä parantaa höyrykoneita, nykyaikainen termodynamiikka kuvaa jo kvanttikoneiden ohjaamia nanohiukkasia.
Oikean kuvauksen vuoksi pakotamme laajentamaan termodynamiikan kvantialueelle, jossa käsitteet kuten lämpötila ja työ menettävät tavanomaisen merkityksensä ja mekaniikan klassiset lait lakkaavat toimimasta.
Kvanttinen termodynamiikka
Kvanttisen termodynamiikan synty
Kuuluisa fyysikko James Clark Maxwell muotoili kuuluisan paradoksin skotlantilaiselle kollegalleen Peter Tatelle lähettämässään kirjeessä vuodelta 1867, mainitsemalla termodynamiikan ja tiedon välisen yhteyden.
Paradoksi koski termodynamiikan toista lakia - sääntöä, että entropia kasvaa aina. Kuten Sir Arthur Eddington myöhemmin huomautti, tällä säännöllä "on hallitseva asema luonnonlakien keskuudessa".
Toisen lain mukaan energiasta tulee epäjärjestyneempi ja vähemmän hyödyllinen, kun se kulkee kuumista kylmiin kappaleisiin ja lämpötilaerot vähenevät.
Ja kuten muistamme Carnotin löytöistä, kuuma ja kylmä ruumis on tehtävä hyödyllistä työtä. Tulipalot sammuvat, aamukahvikupit jäähtyvät ja maailmankaikkeus ryntää kohti tasaisen lämpötilan tilaa, jota kutsutaan maailmankaikkeuden lämpökuolemaksi.
Suuri itävaltalainen fyysikko Ludwig Boltzmann osoitti, että entropian lisääntyminen on seurausta tavanomaisista matemaattisista tilastoista: on paljon enemmän tapoja jakaa energia tasaisesti hiukkasten välillä kuin sen paikalliselle pitoisuudelle. Kun hiukkaset liikkuvat, niillä on luonnollisesti korkeampi entropiatila.
Mutta Maxwellin kirjeessä kuvailtiin ajatuskokeilua, jossa tietty valaistunut olento - jota kutsutaan myöhemmin Maxwellin demoniksi - käyttää tietonsa entropian vähentämiseen ja toisen lain rikkomiseen.
Kaikkivaltias demoni tietää jokaisen molekyylin sijainnin ja nopeuden kaasusäiliössä. Jakamalla säiliö kahteen puolikkaaseen ja avaamalla ja sulkemalla pienen oven kahden kammion välillä, demoni päästää vain nopeita molekyylejä yhteen suuntaan ja vain hitaita toiseen suuntaan.
Demonin toiminta jakaa kaasun kuumaan ja kylmään, keskittäen energiansa ja vähentäen kokonais entropiaa. Lämpömoottorissa voidaan nyt käyttää kerran turhaa kaasua, jolla on tietty keskimääräinen lämpötila.
Monien vuosien ajan Maxwell ja muut ihmettelivät, kuinka luonnonlaki voisi riippua siitä, tietääkö molekyylien sijainnin ja nopeuden tunteminen tai tietämättäminen. Jos termodynamiikan toinen laki on subjektiivisesti riippuvainen näistä tiedoista, niin miten se voi olla ehdoton totuus?
Termodynamiikan suhde tietoon
Vuosisataa myöhemmin amerikkalainen fyysikko Charles Bennett, joka veti Leo Szilardin ja Rolf Landauerin työtä, ratkaisi paradoksin yhdistämällä termodynamiikka muodollisesti informaatiotieteeseen. Bennett väitti, että demonin tieto on tallennettu hänen muistiinsa ja muisti on tyhjennettävä, mikä vaatii työtä.
Vuonna 1961 Landauer laski, että huoneenlämpötilassa tietokone tarvitsee vähintään 2,9 x 10-21 joulea yhden bitin tallennetun tiedon poistamiseksi. Toisin sanoen, kun demoni erottaa kuumat ja kylmät molekyylit vähentäen kaasun entropiaa, hänen tietoisuutensa kuluttaa energiaa, ja kaasu + demonijärjestelmän kokonais entropia kasvaa rikkomatta termodynamiikan toista lakia.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että tieto on fyysistä määrää - mitä enemmän tietoja sinulla on, sitä enemmän työtä voit poimia. Maxwellin demoni luo työtä kaasusta yhdessä lämpötilassa, koska hänellä on paljon enemmän tietoa kuin tavallisella tarkkailijalla.
Kesti vielä puoli vuosisataa ja kvantti-informaatioteorian kukoituspäivä, kvantitietokoneen harjoittamisesta syntynyt kenttä, jolloin fyysikot tutkivat yksityiskohtaisesti Bennettin idean hämmästyttäviä vaikutuksia.
Viime vuosikymmenen aikana fyysikot ovat olettaneet, että energia kulkee kuumista esineistä kylmiin esineisiin tietyn tavan levittää tietoa hiukkasten välillä.
Kvanttiteorian mukaan hiukkasten fysikaaliset ominaisuudet ovat todennäköisiä ja hiukkaset voivat olla tilojen superpositiossa. Kun ne ovat vuorovaikutuksessa, ne takertuvat yhdistämällä yhteen niiden tilaa kuvaavat todennäköisyysjakaumat.
Kvanttiteorian keskeinen asema on lausunto, ettei tietoa koskaan menetetä, ts. Maailmankaikkeuden nykytila säilyttää kaiken tiedon menneisyydestä. Ajan myötä hiukkasten ollessa vuorovaikutuksessa ja yhä enemmän takertuen, niiden yksittäisiä tiloja koskevat tiedot sekoittuvat ja jakautuvat yhä useamman hiukkasen kesken.
Kahvikuppi jäähtyy huoneenlämpötilaan, koska kun kahvimolekyylit törmäävät ilmamolekyyleihin, kahvin energiaa koodaava informaatio vuotaa ulos, välittyy ympäröivään ilmaan ja häviää siihen.
Entropian ymmärtäminen subjektiivisena toimenpiteenä antaa kuitenkin koko maailmankaikkeuden kehittyä menettämättä tietoja. Jopa silloin, kun maailmankaikkeuden osien, esimerkiksi kaasuhiukkasten, kahvin, N + 1-lukijoiden entropia kasvaa, kun niiden kvantitiedot menetetään maailmankaikkeudessa, maailmankaikkeuden globaali entropia pysyy aina nollana.
Kvanttiset lämpömoottorit
Kuinka nyt rakentaa lämpömoottori, kun ymmärretään paremmin kvanttermodynamiikkaa?
Vuonna 2012 perustettiin kvanttermodynamiikan eurooppalainen tutkimuskeskus, joka työllistää tällä hetkellä yli 300 tutkijaa ja insinööriä.
Keskuksen tiimi toivoo tutkivan kvanttimoottorien ja jääkaappien kvantimuutoslakeja, jotka saattavat joskus jäähdyttää tietokoneita tai joita voidaan käyttää aurinkopaneeleissa, biotekniikassa ja muissa sovelluksissa.
Tutkijat ymmärtävät jo paljon paremmin kuin ennen, mihin kvantimoottorit kykenevät.
Lämpömoottori on laite, joka käyttää kvanttista työnestettä ja kahta säiliötä eri lämpötiloissa (lämmitin ja jäähdytin) työn poistoon. Työ on energian siirtoa moottorista johonkin ulkoiseen mekanismiin muuttamatta mekanismin entrooppiaa.
Toisaalta lämpö on energianvaihto käyttönesteen ja säiliön välillä, mikä muuttaa säiliön entropiaa. Kun säiliön ja käyttönesteen välillä on heikko yhteys, lämpö liitetään lämpötilaan ja voidaan ilmaista dQ = TdS, missä dS on säiliön entropian muutos.
Elementaarisessa kvantilämpömoottorissa työneste koostuu yhdestä hiukkasesta. Tällainen moottori täyttää toisen lain, ja siksi sitä rajoittaa myös Carnot-tehokkuusraja.
Kun työväliaine saatetaan kosketukseen säiliön kanssa, energiatason populaatio muuttuu työväliaineessa. Säiliön määrittelevä ominaisuus on sen kyky saattaa käyttöneste tiettyyn lämpötilaan kehon alkuperäisestä tilasta riippumatta.
Tässä tapauksessa lämpötila on järjestelmän kvanttitilan parametri, ei makroparametri, kuten klassisessa termodynamiikassa: voimme puhua lämpötilasta energiatehokkuuksien populaationa.
Energianvaihtoprosessissa säiliön kanssa keho myös vaihtaa entropiaa, siksi energianvaihtoa tässä vaiheessa pidetään lämmönsiirtona.
Harkitse esimerkiksi kvantti-Otto-sykliä, jossa kaksitasoinen järjestelmä toimii käyttönesteenä. Tällaisessa järjestelmässä on kaksi energiatasoa, joista kukin voidaan asuttaa; olkoon maanpinnan energian arvo E 1 ja herätetyn tason E 2. Otto-sykli koostuu neljästä vaiheesta:
I. Tasojen E 1 ja E 2 välinen etäisyys kasvaa ja muuttuu A 1 = E 1 - E 2.
II. Lämmittimessä on kosketus, järjestelmä lämpenee, ts. Ylin energiataso on asuttu ja käyttönesteen entropia muuttuu. Tämä vuorovaikutus kestää ajan τ 1.
III. Tasojen E 1 ja E 2 välillä on puristus, eli järjestelmässä on työtä, nyt tasojen väliset etäisyydet ovat Δ2 = E 1 - E 2.
IV. Keho saatetaan kosketukseen jääkaapin kanssa τ 2 ajaksi, mikä antaa sille mahdollisuuden rentoutua, tyhjentää ylemmän tason. Alempi taso on nyt täysin asuttu.
Tässä ei voi sanoa mitään käyttönesteen lämpötilasta, vain lämmittimen ja jääkaapin lämpötiloilla on merkitystä. Täydellinen teos voidaan kirjoittaa seuraavasti:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
missä p 0 (1) on todennäköisyys, että työneste oli maassa (herätetyssä) tilassa. Tämän kvanttisen nelitahtimoottorin hyötysuhde on η = 1 - Δ 1 / Δ2.
Otto-sykli kaksitasaisessa kvanttijärjestelmässä.
Esimerkiksi on mahdollista rakentaa kvantimoottori, jossa suprajohtavalla kvbitillä on käyttönesteen rooli ja kahta lämmittimenä ja jääkaappina käytetään kahta normaalia vastusta, joilla on erilaiset vastukset.
Nämä vastukset tuottavat melua, jolla on ominainen lämpötila: iso melu - lämmitin, pieni - jääkaappi.
Tällaisen moottorin oikea toiminta osoitettiin Aalto-yliopiston tutkijoiden työssä.
Otto-syklin toteutuksessa energiatasojen välistä eroa voidaan moduloida vakiona olevalla magnettisivuilla, toisin sanoen "puristaa" tai "laajentaa" tasoja, ja vuorovaikutuksen kytkeminen säiliöihin saavutettiin erinomaisesti lyhyillä mikroaaltosignaaleilla.
Vuonna 2015 Jerusalemin heprealaisen yliopiston tutkijat laskivat, että sellaiset kvanttimoottorit voisivat ylittää klassisten vastineiden.
Nämä todennäköisyysmoottorit noudattavat edelleen Carnot-kaavaa tehokkuuden suhteen suhteessa siihen, kuinka paljon työtä ne voivat saada kuumien ja kylmien kappaleiden välillä kulkevasta energiasta. Mutta he pystyvät hakemaan työn paljon nopeammin.
Yksi-ionimoottori osoitettiin kokeellisesti ja esiteltiin vuonna 2016, vaikka se ei käyttänyt kvanttehosteita tehon vahvistamiseen.
Äskettäin rakennettiin ydinmagneettiseen resonanssiin perustuva kvantilämpömoottori, jonka hyötysuhde oli hyvin lähellä ideaalista ηCarnot-arvoa.
Kvanttilämpömoottoreita voidaan käyttää myös sekä suurten että mikroskooppisten järjestelmien, kuten kvanttijäännösten jäähdyttämiseen kvantitietokoneessa.
Mikrosysteemin jäähdyttäminen tarkoittaa populaatioiden pienenemistä viritetyillä tasoilla ja entropian vähentämistä. Tämä voidaan tehdä samojen termodynaamisten jaksojen avulla, joihin kuuluu lämmitin ja jääkaappi, mutta jotka toimivat vastakkaiseen suuntaan.
Maaliskuussa 2017 julkaistiin artikkeli, jossa kvantitietojen teoriaa käyttämällä johdettiin termodynamiikan kolmas laki - lausunto absoluuttisen nollalämpötilan saavuttamisen mahdottomuudesta.
Artikkelin kirjoittajat osoittivat, että jäähdytysnopeuden rajoitus, joka estää absoluuttisen nollan saavuttamisen, johtuu siitä, kuinka nopeasti tietoa voidaan pumpata hiukkasista äärellisen koon objektissa.
Nopeusrajoituksella on paljon tekemistä kvanttijäähdyttimien jäähdytysominaisuuksien kanssa.
Kvantimoottorien tulevaisuus
Pian näemme kvantitekniikan kukoistuksen, ja sitten kvanttilämpömoottorit voivat auttaa paljon.
Keittiön jääkaapin käyttäminen mikrosysteemien jäähdyttämiseen epätyydyttävän toiminnan vuoksi ei toimi - keskimäärin sen lämpötila on matala, mutta paikallisesti se voi saavuttaa kohtuuttomia arvoja.
Koska kvanttermodynamiikka on läheisessä yhteydessä tietoihin, pystymme hyödyntämään tietämystämme (tietoa) suorittamaan paikallista työtä - esimerkiksi toteuttamaan kvant demoni Maxwellin monitasoisia järjestelmiä käyttämällä jäähdyttämään (puhdistamaan tilan) kvittejä kvantitietokoneessa.
Suurempien kvantimoottorien osalta on liian aikaista väittää, että tällainen moottori korvaa polttomoottorin. Toistaiseksi yhden atomin moottoreilla on liian alhainen hyötysuhde.
On kuitenkin intuitiivisesti selvää, että kun käytetään makroskooppista järjestelmää, jolla on monia vapausasteita, pystymme poimimaan vain pienen osan hyödyllisestä työstä, koska sellaista järjestelmää voidaan hallita vain keskimäärin. Kvantimoottorien konseptin avulla on mahdollista hallita järjestelmiä tehokkaammin.
Nanomittakaavan lämpömoottoreiden tieteessä on tällä hetkellä monia teoreettisia ja teknisiä kysymyksiä. Esimerkiksi kvanttivaihtelu on suuri ongelma, joka voi luoda "kvantti kitkaa", lisäämällä entronomiaa ja vähentämällä moottorin tehokkuutta.
Fyysikot ja insinöörit työskentelevät nyt aktiivisesti kvanttiöljyn optimaalisen hallinnan varmistamiseksi ja nanolämmittimen ja nanojäähdyttimen luomiseksi. Ennemmin tai myöhemmin kvanttifysiikka auttaa meitä luomaan uuden luokan hyödyllisiä laitteita.
Mikhail Perelstein