Ljudi su naučili graditi vrlo moćne motore s unutarnjim izgaranjem, ali nisu naučili glavnu stvar - značajno povećanje njihove učinkovitosti. Ograničenje na tom putu postavljeno je drugim zakonom termodinamike koji kaže da se entropija sustava neizbježno povećava. No, je li moguće prijeći tu granicu uz pomoć kvantne fizike? Pokazalo se da je to moguće, ali za to je bilo potrebno razumjeti da je entropija subjektivna, a toplina i rad daleko su od jedini mogući oblici energije. Više informacija o tome što su kvantni motori, kako su raspoređeni i za šta su sposobni pročitajte u našem materijalu.
Tijekom 300 godina razvoja tehnologije za proračun, oblikovanje i oblikovanje motora, problem stvaranja stroja s visokim faktorom učinkovitosti nije riješen, iako je presudan za mnoga područja znanosti i tehnologije.
Kvantna fizika, otkrivena početkom 20. stoljeća, već nam je predstavila mnoga iznenađenja u svijetu tehnologije: atomsku teoriju, poluvodiče, lasere i, konačno, kvantna računala. Ta se otkrića temelje na neobičnim svojstvima subatomskih čestica, naime, kvantnim korelacijama među njima - čisto kvantnim načinom razmjene informacija.
I čini se da nas je kvantna fizika spremna ponovno iznenaditi: godine razvoja kvantne termodinamike omogućile su fizičarima da pokažu da kvantni toplinski motori mogu imati visoku učinkovitost na malim mjerilima, nedostupnim klasičnim strojevima.
Pogledajmo što je kvantna termodinamika, kako djeluju toplinski motori, koja poboljšanja daje kvantna fizika i što treba učiniti da bi se stvorio učinkovit motor budućnosti.
Klasični toplinski motori
U svojoj knjizi iz 1824. godine Razmišljanje o pokretačkoj vatri, 28-godišnji francuski inženjer Sadi Carnot shvatio je kako parni strojevi mogu učinkovito pretvoriti toplinu u rad zbog čega se klip kreće ili okreće kotač.
Promotivni video:
Na iznenađenje Carnota, učinkovitost idealnog motora ovisila je samo o temperaturnoj razlici između izvora topline motora (grijač, obično požar) i hladnjaka (hladnjak, obično ambijentalni zrak).
Carnot je shvatio da je rad nusproizvod prirodnog prijelaza topline s toplog u hladno tijelo.
Shema rada toplinskog motora.
Kod toplinskih motora koristi se sljedeći ciklus. Toplina Q1 dovodi se iz grijača s temperaturom t1 u radni fluid, dio topline Q2 odvodi se u hladnjak s temperaturom t 2, t 1> t 2.
Rad koji obavlja toplinski motor jednak je razlici između isporučene i oduzete topline: A = Q 1 - Q 2, a učinkovitost η bit će jednaka η = A / Q 1.
Carnot je pokazao da učinkovitost bilo kojeg toplinskog motora ne može premašiti učinkovitost idealnog toplinskog motora koji radi u svom ciklusu s istim temperaturama grijača i hladnjaka ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Stvaranje učinkovitog toplinskog motora je maksimalna aproksimacija stvarnog Učinkovitost η do idealnog ηCarnot.
Sadi Carnot umro je od kolere osam godina kasnije - prije nego što je mogao vidjeti kako se, već u 19. stoljeću, njegova formula za učinkovitost pretvorila u teoriju klasične termodinamike - skup univerzalnih zakona koji odnose temperaturu, toplinu, rad, energiju i entropiju.
Klasična termodinamika opisuje statistička svojstva sustava smanjenjem mikroparametara, poput položaja i brzina čestica, na makroparametre: temperaturu, tlak i volumen. Zakoni termodinamike pokazali su se primjenjivima ne samo na parne strojeve, već i na Sunce, crne rupe, živa bića i cijeli Svemir.
Ova je teorija toliko jednostavna i opća da je Albert Einstein vjerovao da je "nikada neće svrgnuti". Međutim, termodinamika je od samog početka zauzimala izuzetno neobičan položaj među ostalim teorijama svemira.
"Da su fizičke teorije ljudske, termodinamika bi bila seoska vještica", napisala je fizičarka Lydia del Rio prije nekoliko godina. "Druge se teorije smatraju neobičnom, različitom od ostalih, ali svi joj se obraćaju za savjet i nitko joj se ne usuđuje proturječiti."
Termodinamika nikada nije tvrdila da je univerzalna metoda za analizu svijeta oko nas, već je način da se ovaj svijet učinkovito koristi.
Termodinamika nam govori kako najbolje iskoristiti resurse poput vrućeg plina ili magnetiziranog metala za postizanje određenih ciljeva, bilo da se kreće vlak ili formatira tvrdi disk.
Njegova svestranost proizlazi iz činjenice da ne pokušava razumjeti mikroskopske detalje pojedinih sustava, već samo brine o utvrđivanju koje su operacije lako izvršiti u tim sustavima, a koje su teške.
Takav se pristup znanstvenicima može činiti čudnim, ali aktivno se koristi u fizici, računarskoj znanosti, ekonomiji, matematici i mnogim drugim mjestima.
Jedno od najčudnijih obilježja teorije jeste subjektivnost njenih pravila. Na primjer, plin sastavljen od čestica s istom temperaturom u prosjeku ima mikroskopske razlike u temperaturi nakon detaljnijeg pregleda.
Posljednjih godina pojavilo se revolucionarno razumijevanje termodinamike, objašnjavajući ovu subjektivnost kvantnom teorijom informacija koja opisuje širenje informacija kroz kvantne sustave.
Baš kako je termodinamika izvorno izrastala iz pokušaja poboljšanja parnih motora, tako moderna termodinamika opisuje rad već kvantnih strojeva kontroliranih nanočestica.
Za ispravan opis prisiljeni smo proširiti termodinamiku na kvantnu regiju, gdje pojmovi poput temperature i rada gube uobičajeno značenje, a klasični zakoni mehanike prestaju raditi.
Kvantna termodinamika
Rođenje kvantne termodinamike
U pismu iz 1867. godine škotskom kolegi Peteru Tateu, poznati fizičar James Clark Maxwell formulirao je poznati paradoks, nagovještavajući povezanost termodinamike i informacija.
Paradoks se odnosio na drugi zakon termodinamike - pravilo da se entropija uvijek povećava. Kao što je kasnije kasnije primijetio sir Arthur Eddington, ovo pravilo "zauzima dominantno mjesto među zakonima prirode".
Prema drugom zakonu, energija postaje neurednija i manje korisna dok putuje od vrućih do hladnih tijela i razlike u smanjenju temperature.
I koliko se sjećamo iz Carnotovog otkrića, za to je korisno vruće i hladno tijelo. Požari se ugase, šalice za jutarnju kavu ohlade se, a svemir pojuri prema stanju ujednačene temperature poznate kao toplinska smrt svemira.
Veliki austrijski fizičar Ludwig Boltzmann pokazao je da je porast entropije posljedica zakona obične matematičke statistike: postoji mnogo više načina za ravnomjernu raspodjelu energije između čestica, nego za njezinu lokalnu koncentraciju. Kada se čestice kreću, one prirodno teže višim entropijskim stanjima.
Ali Maxwell-ovo pismo opisuje misaoni eksperiment u kojem izvjesno prosvijetljeno biće - kasnije nazvano Maxwell-ov demon - koristi svoje znanje za smanjenje entropije i kršenje drugog zakona.
Svemoćni demon zna položaj i brzinu svake molekule u spremniku s plinom. Podjelom spremnika na dvije polovice i otvaranjem i zatvaranjem malih vrata između dviju komora, demon pušta samo brze molekule u jednom smjeru, a samo sporo u drugu.
Demon-ove akcije razdvajaju plin na vruće i hladno, koncentrirajući njegovu energiju i smanjujući ukupnu entropiju. Nekada beskorisni plin s određenom prosječnom temperaturom sada se može koristiti u toplinskom motoru.
Maxwell i ostali dugo su se pitali kako zakon prirode može ovisiti o poznavanju ili neznanju položaja i brzine molekula. Ako je drugi zakon termodinamike subjektivno ovisan o tim informacijama, kako onda može biti apsolutna istina?
Odnos termodinamike prema informaciji
Stoljeće kasnije, američki fizičar Charles Bennett, oslanjajući se na djela Lea Szilarda i Rolfa Landauera, riješio je paradoks formalnim povezivanjem termodinamike s naukom informacija. Bennett je tvrdio da je demonovo znanje pohranjeno u njegovom pamćenju, a memorija se mora očistiti, što zahtijeva rad.
Landauer je 1961. godine izračunao da je za sobnu temperaturu računalu potrebno najmanje 2,9 x 10-21 džou kako bi izbrisao jedan zalogak pohranjenih podataka. Drugim riječima, kada demon razdvaja vruće i hladne molekule, smanjujući entropiju plina, njegova svijest troši energiju, a ukupna entropija sustava plina + demona raste bez kršenja drugog zakona termodinamike.
Istraživanje je pokazalo da su informacije fizička količina - što više informacija imate, više možete izdvojiti. Maxwell-ov demon stvara rad iz plina pri jednoj temperaturi, jer ima puno više informacija od običnog promatrača.
Bilo je potrebno još pola stoljeća i procvat teorije kvantnih informacija, polja rođenog u potrazi za kvantnim računalom, fizičari su mogli detaljno proučiti zapanjujuće implikacije Bennettove ideje.
Tijekom posljednjeg desetljeća, fizičari su pretpostavili da energija putuje od vrućih predmeta do hladnih predmeta zbog određenog načina širenja informacija između čestica.
Prema kvantnoj teoriji, fizička svojstva čestica su vjerojatna i čestice mogu biti u superpoziciji stanja. Kada komuniciraju, oni se zapleću kombiniranjem raspodjele vjerojatnosti koje opisuju njihova stanja.
Središnji položaj kvantne teorije je tvrdnja da se informacija nikad ne gubi, odnosno sadašnje stanje svemira zadržava sve informacije o prošlosti. Međutim, s vremenom, kako čestice djeluju i postaju sve više zapletene, informacije o njihovim pojedinačnim stanjima miješaju se i raspodjeljuju među sve više i više čestica.
Šalica kave hladi se do sobne temperature, jer kada se molekule kave sudaraju s molekulama zraka, informacije koje kodiraju energiju kave istječu, prenose se u okolni zrak i u njemu se gube.
Međutim, razumijevanje entropije kao subjektivne mjere omogućuje da se Svemir kao cjelina razvija bez gubitka informacija. Čak i kada entropija dijelova Svemira, na primjer, čestica plina, kave, čitača N + 1, raste kako se njihove kvantne informacije u Svemiru gube, globalna entropija Svemira uvijek ostaje nula.
Kvantni toplinski motori
Kako, koristeći dublje razumijevanje kvantne termodinamike, izgraditi toplinski motor?
2012. godine osnovan je Tehnološki europski istraživački centar za kvantnu termodinamiku i trenutno zapošljava preko 300 znanstvenika i inženjera.
Tim centra nada se da će istražiti zakone koji reguliraju kvantne prijelaze u kvantnim motorima i hladnjacima koji bi jednog dana mogli ohladiti računala ili se koristiti u solarnim pločama, bioinžinjeringu i drugim aplikacijama.
Istraživači već razumiju mnogo bolje nego prije za što su kvantni motori sposobni.
Toplinski motor je uređaj koji koristi kvantni radni fluid i dva spremnika na različitim temperaturama (grijač i hladnjak) za vađenje rada. Rad je prijenos energije s motora na neki vanjski mehanizam bez promjene entropije mehanizma.
S druge strane, toplina je razmjena energije između radne tekućine i rezervoara, što mijenja entropiju rezervoara. Sa slabom vezom rezervoara i radne tekućine, toplina je povezana s temperaturom i može se izraziti kao dQ = TdS, gdje je dS promjena entropije rezervoara.
U elementarnom kvantnom toplinskom motoru radni fluid se sastoji od jedne čestice. Takav motor zadovoljava drugi zakon i stoga je također ograničen Carnotovom granicom učinkovitosti.
Kad se radni medij dovede u kontakt s rezervoarom, populacija energetskih razina se mijenja u radnom mediju. Definirajuće svojstvo rezervoara je njegova sposobnost da radni fluid dovede do određene temperature, bez obzira na početno stanje tijela.
U ovom slučaju, temperatura je parametar kvantnog stanja sustava, a ne makroparametar, kao u klasičnoj termodinamici: o temperaturi možemo govoriti kao o broju stanovnika.
U procesu razmjene energije s rezervoarom, tijelo također razmjenjuje entropiju, pa se stoga razmjena energije u ovoj fazi smatra prijenosom topline.
Primjerice, razmotrite kvantni Otto ciklus u kojem će sustav na dvije razine djelovati kao radna tekućina. U takvom sustavu postoje dvije razine energije, od kojih svaka može biti naseljena; neka energija razine tla bude E 1, a uzbuđena razina E 2. Otto ciklus se sastoji od 4 stupnja:
I. Udaljenost između razina E 1 i E 2 povećava se i postaje Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Dolazi do kontakta s grijačem, sustav se zagrijava, to jest gornja razina energije se napuni i entropija radnog fluida se mijenja. Ta interakcija traje vrijeme τ 1.
III. Između nivoa E 1 i E 2 postoji kompresija, odnosno radi se na sustavu, a sada su razmaci između razina Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Tijelo se dovodi u dodir s hladnjakom na vrijeme τ 2, što mu pruža priliku da se opusti, isprazni gornju razinu. Donja razina sada je potpuno naseljena.
Ovdje ne možemo ništa reći o temperaturi radne tekućine, samo su temperature grijača i hladnjaka važne. Savršeno djelo može se napisati kao:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
gdje je p 0 (1) vjerojatnost da je radni fluid bio u prizemnom (uzbuđenom) stanju. Učinkovitost ovog kvantnog četverotaktnog motora je η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto ciklus na kvantnom sustavu na dvije razine.
Na primjer, moguće je izraditi kvantni motor u kojem superprevodni kubit ima ulogu radnog fluida, a kao normalni grijač i hladnjak koriste se dva normalna otpornika s različitim otporom.
Ovi otpornici stvaraju buku koja ima karakterističnu temperaturu: veliki šum - grijač, mali - hladnjak.
Ispravan rad takvog motora pokazao se u radu znanstvenika sa Sveučilišta Aalto u Finskoj.
U provedbi Otto ciklusa, razlika između energetskih razina može se modulirati stalnim magnetskim fluksom, tj. "Stisnuti" ili "proširiti" razine, a prebacivanje interakcije s rezervoarima izvrsno je dobiveno kratkim mikrovalnim signalima.
U 2015. godini, znanstvenici s hebrejskog sveučilišta u Jeruzalemu izračunali su da takvi kvantni motori mogu nadmašiti klasične kolege.
Ovi vjerojatni motori i dalje slijede Carnotovu formulu za učinkovitost s obzirom na to koliko posla mogu izdvojiti iz energije koja prolazi između vrućih i hladnih tijela. Ali oni mogu mnogo brže dohvatiti posao.
Jednosmjerni ion motor eksperimentalno je pokazan i predstavljen 2016., iako nije koristio kvantne efekte za pojačavanje snage.
Nedavno je izgrađen kvantni toplinski motor temeljen na nuklearnoj magnetskoj rezonanci čija je učinkovitost bila vrlo blizu idealnoj ηCarnot.
Kvantni toplinski motori se također mogu koristiti za hlađenje velikih i mikroskopskih sustava, poput kubita u kvantnom računalu.
Hlađenje mikrosustava znači smanjenje populacije na pobuđenim razinama i smanjenje entropije. To se može postići istim termodinamičkim ciklusima koji uključuju grijač i hladnjak, ali rade u suprotnom smjeru.
U ožujku 2017. objavljen je članak u kojem je, koristeći teoriju kvantnih informacija, izveden treći zakon termodinamike - izjava o nemogućnosti postizanja apsolutne nulte temperature.
Autori članka pokazali su da ograničenje brzine hlađenja, koje sprječava postizanje apsolutne nule, proizlazi iz ograničenja koliko brzo se informacije mogu izbaciti iz čestica u objekt konačne veličine.
Ograničenje brzine ima puno veze s mogućnostima hlađenja kvantnih hladnjaka.
Budućnost kvantnih motora
Uskoro ćemo doživjeti procvat kvantnih tehnologija, a tada bi kvantni toplinski motori mogli puno pomoći.
Neće raditi kuhinjski hladnjak za hlađenje mikrosustava zbog neredovitog rada - u prosjeku je temperatura u njemu niska, ali lokalno može dostići neprihvatljive vrijednosti.
Zbog uske povezanosti kvantne termodinamike s informacijama, mi smo u mogućnosti koristiti svoje znanje (informacije) za obavljanje lokalnih poslova - na primjer, za implementaciju kvantnog demona Maxwell koristeći višerazinske sustave za hlađenje (pročišćavanje stanja) qubita u kvantnom računalu.
Što se tiče kvantnih motora na širem nivou, prerano je tvrditi da će takav motor zamijeniti motor s unutarnjim izgaranjem. Dosad su jednoatomski motori preniski.
Međutim, intuitivno je jasno da ćemo pomoću makroskopskog sustava s više stupnjeva slobode moći izdvojiti samo mali dio korisnog djela, jer se takvim sustavom može kontrolirati samo u prosjeku. U konceptu kvantnih motora postaje moguće učinkovitije kontrolirati sustave.
Trenutno postoji puno teoretskih i inženjerskih pitanja u nauci o nanocjevnim toplinskim motorima. Na primjer, kvantne fluktuacije su veliki problem koji može stvoriti "kvantno trenje", uvodeći dodatnu entropiju i smanjujući učinkovitost motora.
Fizičari i inženjeri sada aktivno rade na optimalnoj kontroli kvantne radne tekućine i stvaranju nanheatra i nanocoolera. Prije ili kasnije, kvantna fizika će nam pomoći stvoriti novu klasu korisnih uređaja.
Mihail Perelstein