Ludzie nauczyli się budować bardzo mocne silniki spalinowe, ale nie nauczyli się najważniejszego - znacznego wzrostu ich wydajności. Granicę tej ścieżki wyznacza druga zasada termodynamiki, która mówi, że entropia układu nieuchronnie wzrasta. Ale czy można pokonać tę granicę przy pomocy fizyki kwantowej? Okazało się, że jest to możliwe, ale w tym celu trzeba było zrozumieć, że entropia jest subiektywna, a ciepło i praca są dalekie od jedynych możliwych form energii. Aby uzyskać więcej informacji na temat tego, czym są silniki kwantowe, jak są ułożone i do czego są zdolne, przeczytaj nasz materiał.
Przez 300 lat rozwoju technologii obliczania, projektowania i konstruowania silników problem stworzenia maszyny o wysokim współczynniku sprawności nie został rozwiązany, choć jest krytyczny dla wielu dziedzin nauki i techniki.
Fizyka kwantowa, odkryta na początku XX wieku, przyniosła nam już wiele niespodzianek w świecie techniki: teoria atomu, półprzewodniki, lasery i wreszcie komputery kwantowe. Te odkrycia opierają się na niezwykłych właściwościach cząstek subatomowych, a mianowicie na korelacjach kwantowych między nimi - czysto kwantowym sposobie wymiany informacji.
Wydaje się, że fizyka kwantowa jest gotowa ponownie nas zaskoczyć: lata rozwoju termodynamiki kwantowej pozwoliły fizykom wykazać, że kwantowe silniki cieplne mogą mieć wysoką wydajność w małych skalach, niedostępnych dla klasycznych maszyn.
Przyjrzyjmy się, czym jest termodynamika kwantowa, jak działają silniki cieplne, jakie ulepszenia daje fizyka kwantowa i co należy zrobić, aby stworzyć wydajny silnik przyszłości.
Klasyczne silniki cieplne
W swojej książce z 1824 r. Reflections on the Motive Force of Fire, 28-letni francuski inżynier Sadi Carnot wymyślił, w jaki sposób silniki parowe mogą skutecznie przekształcać ciepło w pracę, która powoduje ruch tłoka lub obrót koła.
Film promocyjny:
Ku zdziwieniu Carnota sprawność idealnego silnika zależała jedynie od różnicy temperatur pomiędzy źródłem ciepła silnika (grzejnik, zwykle ogień) a radiatorem (lodówka, zwykle powietrze z otoczenia).
Carnot zdał sobie sprawę, że praca jest produktem ubocznym naturalnego przejścia ciepła od ciała gorącego do zimnego.
Schemat pracy silnika cieplnego.
W silnikach cieplnych stosuje się następujący cykl. Ciepło Q 1 jest dostarczane z nagrzewnicy o temperaturze t 1 do płynu roboczego, część ciepła Q 2 jest odprowadzana do lodówki o temperaturze t 2, t 1> t 2.
Praca silnika cieplnego jest równa różnicy między ciepłem dostarczonym i odprowadzonym: A = Q 1 - Q 2, a sprawność η będzie równa η = A / Q 1.
Carnot wykazał, że sprawność żadnego silnika cieplnego nie może przekroczyć sprawności idealnego silnika cieplnego pracującego w swoim cyklu przy tych samych temperaturach grzałki i lodówki ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Stworzenie wydajnego silnika cieplnego jest maksymalnym przybliżeniem rzeczywistej Sprawność η do ideału ηCarnot.
Sadi Carnot zmarł na cholerę osiem lat później - zanim zdążył zobaczyć, jak już w XIX wieku jego wzór na efektywność przekształcił się w teorię klasycznej termodynamiki - zbiór uniwersalnych praw, które dotyczą temperatury, ciepła, pracy, energii i entropii.
Klasyczna termodynamika opisuje statystyczne właściwości układów poprzez redukcję mikroparametrów, takich jak położenie i prędkości cząstek, do makroparametrów: temperatury, ciśnienia i objętości. Okazało się, że prawa termodynamiki mają zastosowanie nie tylko do silników parowych, ale także do Słońca, czarnych dziur, istot żywych i całego Wszechświata.
Ta teoria jest tak prosta i ogólna, że Albert Einstein wierzył, że „nigdy nie zostanie obalona”. Jednak od samego początku termodynamika zajmowała niezwykle dziwną pozycję wśród innych teorii wszechświata.
„Gdyby teorie fizyczne były ludzkie, termodynamika byłaby wiejską czarownicą” - napisała kilka lat temu fizyk Lydia del Rio. „Inne teorie uważają ją za dziwną, inną od reszty, ale wszyscy przychodzą do niej po radę i nikt nie ośmiela się jej zaprzeczyć”.
Termodynamika nigdy nie uważała się za uniwersalną metodę analizy otaczającego nas świata; jest raczej sposobem na efektywne wykorzystanie tego świata.
Termodynamika mówi nam, jak najlepiej wykorzystać zasoby, takie jak gorący gaz lub namagnesowany metal, aby osiągnąć określone cele, czy to przemieszczanie pociągu, czy formatowanie dysku twardego.
Jego wszechstronność wynika z tego, że nie stara się zrozumieć mikroskopijnych szczegółów poszczególnych systemów, a jedynie dba o określenie, które operacje są łatwe do wykonania w tych systemach, a które trudne.
To podejście może wydawać się naukowcom dziwne, ale jest aktywnie wykorzystywane w fizyce, informatyce, ekonomii, matematyce i wielu innych miejscach.
Jedną z najdziwniejszych cech teorii jest podmiotowość jej reguł. Na przykład gaz złożony z cząstek o tej samej średniej temperaturze wykazuje mikroskopijne różnice temperatur po dokładniejszym zbadaniu.
W ostatnich latach pojawiło się rewolucyjne rozumienie termodynamiki, wyjaśniające tę subiektywność poprzez kwantową teorię informacji, która opisuje propagację informacji przez systemy kwantowe.
Tak jak termodynamika pierwotnie wyrosła z prób udoskonalenia silników parowych, tak współczesna termodynamika opisuje działanie już maszyn kwantowych - nanocząstek sterowanych.
Aby uzyskać poprawny opis, jesteśmy zmuszeni rozszerzyć termodynamikę na obszar kwantowy, w którym pojęcia takie jak temperatura i praca tracą swoje zwykłe znaczenie, a klasyczne prawa mechaniki przestają działać.
Termodynamika kwantowa
Narodziny termodynamiki kwantowej
W liście z 1867 roku do swojego szkockiego kolegi Petera Tate'a, słynny fizyk James Clark Maxwell sformułował słynny paradoks, wskazując na związek między termodynamiką a informacją.
Paradoks dotyczył drugiej zasady termodynamiki - zasady, że entropia zawsze rośnie. Jak później zauważył Sir Arthur Eddington, reguła ta „zajmuje dominującą pozycję wśród praw natury”.
Zgodnie z drugim prawem energia staje się bardziej nieuporządkowana i mniej użyteczna, gdy przemieszcza się z ciał gorących do zimnych, a różnice temperatur spadają.
I jak pamiętamy z odkrycia Carnota, do wykonania pożytecznej pracy potrzebne jest gorące i zimne ciało. Pożary gasną, filiżanki porannej kawy stygną, a wszechświat pędzi w kierunku stanu jednolitej temperatury, znanego jako śmierć wszechświata przez ciepło.
Wielki fizyk austriacki Ludwig Boltzmann wykazał, że wzrost entropii jest konsekwencją praw zwykłej statystyki matematycznej: istnieje o wiele więcej sposobów równomiernego rozłożenia energii między cząstkami niż jej lokalnego stężenia. Kiedy cząstki się poruszają, naturalnie mają tendencję do wyższych stanów entropii.
Ale list Maxwella opisywał eksperyment myślowy, w którym pewna oświecona istota - nazwana później demonem Maxwella - wykorzystuje swoją wiedzę, aby zmniejszyć entropię i naruszyć drugie prawo.
Wszechmocny demon zna położenie i prędkość każdej cząsteczki w zbiorniku gazu. Dzieląc pojemnik na dwie połowy oraz otwierając i zamykając małe drzwiczki między dwiema komorami, demon wpuszcza tylko szybkie cząsteczki w jednym kierunku i tylko wolne w drugim.
Działania demona dzielą gaz na gorący i zimny, koncentrując jego energię i zmniejszając całkowitą entropię. Niegdyś bezużyteczny gaz o określonej średniej temperaturze można teraz stosować w silniku cieplnym.
Przez wiele lat Maxwell i inni zastanawiali się, w jaki sposób prawo natury może zależeć od znajomości pozycji i szybkości cząsteczek lub jej braku. Jeśli druga zasada termodynamiki jest subiektywnie zależna od tej informacji, to jak może być prawdą absolutną?
Związek termodynamiki z informacją
Sto lat później amerykański fizyk Charles Bennett, opierając się na pracach Leo Szilarda i Rolfa Landauera, rozwiązał ten paradoks, formalnie łącząc termodynamikę z nauką o informacji. Bennett argumentował, że wiedza demona jest przechowywana w jego pamięci, a pamięć musi zostać wyczyszczona, co wymaga pracy.
W 1961 roku Landauer obliczył, że w temperaturze pokojowej komputer potrzebuje co najmniej 2,9 x 10-21 dżuli, aby usunąć jeden bit przechowywanych informacji. Innymi słowy, kiedy demon oddziela gorące i zimne cząsteczki, zmniejszając entropię gazu, jego świadomość zużywa energię, a całkowita entropia układu gaz + demon wzrasta bez naruszania drugiej zasady termodynamiki.
Badania wykazały, że informacja jest wielkością fizyczną - im więcej masz informacji, tym więcej pracy możesz wydobyć. Demon Maxwella tworzy pracę z gazu o jednej temperaturze, ponieważ ma znacznie więcej informacji niż zwykły obserwator.
Minęło kolejne pół wieku i rozkwit kwantowej teorii informacji, dziedziny zrodzonej z dążenia do komputera kwantowego, zanim fizycy szczegółowo zbadali zaskakujące implikacje idei Bennetta.
W ciągu ostatniej dekady fizycy założyli, że energia przemieszcza się od gorących obiektów do zimnych z powodu pewnego sposobu propagowania informacji między cząstkami.
Zgodnie z teorią kwantową właściwości fizyczne cząstek są probabilistyczne, a cząstki mogą znajdować się w superpozycji stanów. Kiedy wchodzą w interakcje, uwikłają się, łącząc ze sobą rozkłady prawdopodobieństwa opisujące ich stany.
Centralną pozycją teorii kwantów jest stwierdzenie, że informacje nigdy nie są tracone, to znaczy, że obecny stan Wszechświata zachowuje wszystkie informacje o przeszłości. Jednak z biegiem czasu, gdy cząstki oddziałują i stają się coraz bardziej splątane, informacje o ich poszczególnych stanach są mieszane i rozprowadzane między coraz większą liczbą cząstek.
Filiżanka kawy schładza się do temperatury pokojowej, ponieważ kiedy cząsteczki kawy zderzają się z cząsteczkami powietrza, informacja kodująca energię kawy wycieka, jest przekazywana do otaczającego powietrza i ginie w nim.
Jednak zrozumienie entropii jako miary subiektywnej pozwala Wszechświatowi jako całości rozwijać się bez utraty informacji. Nawet gdy entropia części Wszechświata, na przykład cząstek gazu, kawy, czytników N + 1 rośnie, gdy ich informacje kwantowe są tracone we Wszechświecie, globalna entropia Wszechświata zawsze pozostaje zerowa.
Silniki cieplne kwantowe
Jak teraz, korzystając z głębszego zrozumienia termodynamiki kwantowej, zbudować silnik cieplny?
W 2012 roku powstało Technologiczne Europejskie Centrum Badań Termodynamiki Kwantowej, które obecnie zatrudnia ponad 300 naukowców i inżynierów.
Zespół centrum ma nadzieję zbadać prawa rządzące przejściami kwantowymi w silnikach kwantowych i lodówkach, które mogą kiedyś ochłodzić komputery lub zostać wykorzystane w panelach słonecznych, bioinżynierii i innych zastosowaniach.
Naukowcy już teraz rozumieją znacznie lepiej niż wcześniej, do czego zdolne są silniki kwantowe.
Silnik cieplny to urządzenie, które wykorzystuje kwantowy płyn roboczy i dwa zbiorniki o różnych temperaturach (grzejnik i chłodnica) do wydobywania pracy. Praca polega na przekazywaniu energii z silnika do jakiegoś zewnętrznego mechanizmu bez zmiany entropii mechanizmu.
Z drugiej strony ciepło to wymiana energii między płynem roboczym a zbiornikiem, która zmienia entropię zbiornika. Przy słabym połączeniu między zbiornikiem a płynem roboczym ciepło jest powiązane z temperaturą i można je wyrazić jako dQ = TdS, gdzie dS jest zmianą entropii zbiornika.
W elementarnym silniku ciepła kwantowego płyn roboczy składa się z jednej cząstki. Taki silnik spełnia drugą zasadę i dlatego jest również ograniczony granicą sprawności Carnota.
Kiedy czynnik roboczy styka się ze zbiornikiem, zmienia się populacja poziomów energetycznych czynnika roboczego. Cechą definiującą zbiornik jest jego zdolność do doprowadzania płynu roboczego do zadanej temperatury, niezależnie od początkowego stanu organizmu.
W tym przypadku temperatura jest parametrem stanu kwantowego układu, a nie makroparametrem, jak w klasycznej termodynamice: możemy mówić o temperaturze jako populacji poziomów energetycznych.
W procesie wymiany energii ze zbiornikiem organizm wymienia również entropię, dlatego wymiana energii na tym etapie jest uznawana za wymianę ciepła.
Na przykład rozważmy kwantowy cykl Otto, w którym układ dwupoziomowy będzie działał jako płyn roboczy. W takim systemie istnieją dwa poziomy energii, z których każdy może być wypełniony; niech energia poziomu gruntu będzie E 1, a poziom wzbudzony E 2. Cykl Otto składa się z 4 etapów:
I. Odległość między poziomami E 1 i E 2 wzrasta i staje się Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Występuje kontakt z nagrzewnicą, system nagrzewa się, to znaczy wypełnia się górny poziom energii i zmienia się entropia płynu roboczego. Ta interakcja trwa czas τ 1.
III. Występuje kompresja między poziomami E 1 i E 2, to znaczy w systemie trwają prace, teraz odległości między poziomami wynoszą Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Ciało styka się z lodówką na czas τ 2, co daje jej możliwość odprężenia się, opróżnienia górnego poziomu. Niższy poziom jest teraz w pełni zaludniony.
Tutaj nie możemy nic powiedzieć o temperaturze płynu roboczego, liczą się tylko temperatury grzałki i lodówki. Idealną pracę można zapisać jako:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
gdzie p 0 (1) jest prawdopodobieństwem, że płyn roboczy znajdował się w stanie podstawowym (wzbudzonym). Sprawność tego czterosuwowego silnika kwantowego wynosi η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Cykl Otto w dwupoziomowym układzie kwantowym.
Na przykład możliwe jest zbudowanie silnika kwantowego, w którym kubit nadprzewodzący pełni rolę płynu roboczego, a dwa zwykłe rezystory o różnych oporach służą jako grzejnik i lodówka.
Rezystory te generują szum o charakterystycznej temperaturze: duży szum - grzejnik, mały - lodówka.
Prawidłowe działanie takiego silnika zostało pokazane w pracy naukowców z Uniwersytetu Aalto w Finlandii.
W realizacji cyklu Otto różnicę poziomów energii można modulować stałym strumieniem magnetycznym, czyli „ściskać” lub „rozszerzać” poziomy, a włączenie interakcji ze zbiornikami było doskonale uzyskiwane przy pomocy krótkich sygnałów mikrofalowych.
W 2015 roku naukowcy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie obliczyli, że takie silniki kwantowe mogą przewyższać klasyczne odpowiedniki.
Te probabilistyczne silniki nadal są zgodne z formułą Carnota na efektywność pod względem ilości pracy, jaką mogą wydobyć z energii przepływającej między ciałami gorącymi i zimnymi. Ale są w stanie odzyskać pracę znacznie szybciej.
Silnik jednojonowy został eksperymentalnie zademonstrowany i zaprezentowany w 2016 roku, chociaż nie wykorzystywał efektów kwantowych do wzmacniania mocy.
Niedawno zbudowano kwantowy silnik cieplny oparty na magnetycznym rezonansie jądrowym, którego sprawność była bardzo zbliżona do idealnego ηCarnota.
Kwantowe silniki cieplne mogą być również używane do chłodzenia zarówno dużych, jak i mikroskopijnych układów, takich jak kubity w komputerze kwantowym.
Chłodzenie mikrosystemu oznacza zmniejszanie się populacji na poziomach wzbudzonych i zmniejszanie entropii. Można to zrobić za pomocą tych samych cykli termodynamicznych obejmujących grzejnik i lodówkę, ale przebiegających w przeciwnym kierunku.
W marcu 2017 roku ukazał się artykuł, w którym wykorzystując kwantową teorię informacji wyprowadzono trzecią zasadę termodynamiki - stwierdzenie o niemożności osiągnięcia temperatury zera absolutnego.
Autorzy artykułu wykazali, że ograniczenie szybkości chłodzenia, uniemożliwiające osiągnięcie zera absolutnego, wynika z ograniczenia szybkości wypompowywania informacji z cząstek w obiekcie o skończonych rozmiarach.
Ograniczenie prędkości ma wiele wspólnego z możliwościami chłodzenia lodówek kwantowych.
Przyszłość silników kwantowych
Wkrótce zobaczymy rozkwit technologii kwantowych, a wtedy kwantowe silniki cieplne mogą bardzo pomóc.
Nie sprawdzi się używanie kuchennej lodówki do chłodzenia mikrosystemów ze względu na jej błędną pracę - przeciętnie temperatura w niej jest niska, ale lokalnie może osiągać niedopuszczalne wartości.
Dzięki ścisłemu powiązaniu termodynamiki kwantowej z informacją jesteśmy w stanie wykorzystać naszą wiedzę (informację) do wykonywania pracy lokalnej - na przykład do implementacji kwantowego demona Maxwella za pomocą systemów wielopoziomowych do chłodzenia (oczyszczania stanu) kubitów w komputerze kwantowym.
Jeśli chodzi o silniki kwantowe na większą skalę, jest zbyt wcześnie, aby argumentować, że taki silnik zastąpi silnik spalinowy. Jak dotąd silniki jednoatomowe mają zbyt niską wydajność.
Jednak intuicyjnie jest jasne, że stosując układ makroskopowy o wielu stopniach swobody, będziemy w stanie wydobyć tylko niewielką część użytecznej pracy, ponieważ takim systemem można sterować tylko średnio. W koncepcji silników kwantowych możliwe staje się efektywniejsze sterowanie systemami.
W chwili obecnej w nauce o silnikach cieplnych w nanoskali istnieje wiele zagadnień teoretycznych i inżynieryjnych. Na przykład fluktuacje kwantowe są dużym problemem, który może powodować „tarcie kwantowe”, wprowadzając dodatkową entropię i zmniejszając wydajność silnika.
Fizycy i inżynierowie aktywnie pracują obecnie nad optymalną kontrolą kwantowego płynu roboczego oraz nad stworzeniem nanogrzewacza i nanochładzacza. Wcześniej czy później fizyka kwantowa pomoże nam stworzyć nową klasę przydatnych urządzeń.
Michaił Perelstein