Хората са се научили да изграждат много мощни двигатели с вътрешно горене, но не са научили главното - значително повишаване на тяхната ефективност. Ограничението по този път е зададено от втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията на една система неизбежно се увеличава. Но възможно ли е да се преодолее тази граница с помощта на квантовата физика? Оказа се, че е възможно, но за това беше необходимо да се разбере, че ентропията е субективна, а топлината и работата далеч не са единствените възможни форми на енергия. За повече информация какво представляват квантовите двигатели, как са подредени и на какво са способни, прочетете нашия материал.
Над 300 години на развитие на технологията за изчисляване, проектиране и проектиране на двигатели проблемът със създаването на машина с висок коефициент на ефективност не е решен, въпреки че е критичен за много области на науката и технологиите.
Квантовата физика, открита в началото на 20 век, вече ни представи много изненади в света на технологиите: атомна теория, полупроводници, лазери и накрая квантови компютри. Тези открития се основават на необичайните свойства на субатомните частици, а именно на квантовите корелации между тях - чисто квантов начин за обмен на информация.
И изглежда, че квантовата физика е готова да ни изненада отново: години на развитие на квантовата термодинамика позволиха на физиците да покажат, че квантовите топлинни двигатели могат да имат висока ефективност на малки мащаби, недостъпни за класическите машини.
Нека да разгледаме какво е квантовата термодинамика, как работят топлинните двигатели, какви подобрения дава квантовата физика и какво трябва да се направи, за да се създаде ефективен двигател на бъдещето.
Класически топлинни двигатели
В своята книга от 1824 г. „Размисли за движещата сила на огъня“28-годишният френски инженер Сади Карно измисли как парните двигатели могат ефективно да преобразуват топлината в работа, което прави движение на буталото или завъртане на колелото.
Промоционално видео:
За изненада на Карно, ефективността на идеалния двигател зависи само от температурната разлика между топлинния източник на двигателя (нагревател, обикновено пожар) и радиатор (хладилник, обикновено околен въздух).
Карно осъзна, че работата е страничен продукт от естествения преход на топлина от горещо към студено тяло.
Схемата на работа на топлинния двигател.
При топлинните двигатели се използва следния цикъл. Топлината Q1 се подава от нагревателя с температура t1 към работния флуид, част от топлината Q 2 се отвежда в хладилника с температура t 2, t 1> t 2.
Работата, извършена от топлинния двигател, е равна на разликата между подадената и отделената топлина: A = Q 1 - Q 2, а ефективността η ще бъде равна на η = A / Q 1.
Карно показа, че ефективността на всеки топлинен двигател не може да надвишава ефективността на идеален топлинен двигател, работещ в неговия цикъл със същите температури на нагревателя и хладилника ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Създаването на ефективен топлинен двигател е максималното приближение на реалното Ефективност η до идеален ηCarnot.
Сади Карно умира от холера осем години по-късно - преди да разбере как, още през 19 век, неговата формула за ефективност се превръща в теорията на класическата термодинамика - набор от универсални закони, свързващи температура, топлина, работа, енергия и ентропия.
Класическата термодинамика описва статистическите свойства на системите чрез намаляване на микропараметри, като позициите и скоростите на частиците, до макропараметри: температура, налягане и обем. Законите на термодинамиката се оказват приложими не само за парните двигатели, но и за Слънцето, черните дупки, живите същества и цялата Вселена.
Тази теория е толкова проста и обща, че Алберт Айнщайн е вярвал, че "никога няма да бъде свален". От самото начало обаче термодинамиката заема изключително странно положение сред другите теории на Вселената.
„Ако физическите теории бяха човешки, термодинамиката щеше да е селска вещица“, пише физикът Лидия дел Рио преди няколко години. "Други теории я намират за странна, различна от останалите, но всеки идва при нея за съвет и никой не смее да й противоречи."
Термодинамиката никога не е твърдяла, че е универсален метод за анализ на света около нас, а по-скоро е начин за ефективно използване на този свят.
Термодинамиката ни казва как да се възползваме максимално от ресурси като горещ газ или намагнитен метал за постигане на конкретни цели, било то движение на влак или форматиране на твърд диск.
Универсалността му идва от факта, че не се опитва да разбере микроскопичните детайли на отделните системи, а се интересува само от това да определи кои операции са лесни за изпълнение в тези системи и кои са трудни.
Този подход може да изглежда странен за учените, но той се използва активно във физиката, компютърните науки, икономиката, математиката и много други места.
Една от най-странните характеристики на една теория е субективността на нейните правила. Например, газ, съставен от частици със същата температура средно, има микроскопични температурни разлики при по-внимателна проверка.
През последните години се появи революционно разбиране на термодинамиката, което обяснява тази субективност чрез теорията на квантовата информация, която описва разпространението на информация чрез квантовите системи.
Точно както първоначално термодинамиката се разраства от опитите за подобряване на парните двигатели, съвременната термодинамика описва работата на вече квантовите машини, контролирани наночастиците.
За правилно описание ние сме принудени да разширим термодинамиката до квантовата област, където понятия като температура и работа губят обичайното си значение, а класическите закони на механиката престават да действат.
Квантова термодинамика
Раждането на квантовата термодинамика
В писмо от 1867 г. до своя шотландски колега Питър Тейт, известният физик Джеймс Кларк Максуел формулира известния парадокс, намеквайки за връзката между термодинамиката и информацията.
Парадоксът се отнасяше до втория закон на термодинамиката - правилото, че ентропията винаги се увеличава. Както по-късно отбелязва сър Артър Едингтън, това правило „заема доминиращо положение сред законите на природата“.
Според втория закон енергията става по-неуредична и не толкова полезна, тъй като пътува от горещи до студени тела и разликите в понижаването на температурата.
И както си спомняме от откритието на Карно, за извършване на полезна работа се изисква горещо и студено тяло. Пожарите угасват, чашите за сутрешно кафе се охлаждат и Вселената се втурва към състояние на еднаква температура, известно като топлинна смърт на Вселената.
Големият австрийски физик Лудвиг Болцман показа, че увеличаването на ентропията е следствие от законите на обикновената математическа статистика: има много повече начини за равномерно разпределение на енергията между частиците, отколкото за нейната локална концентрация. Когато частиците се движат, те естествено са склонни към по-високи ентропийни състояния.
Но писмото на Максуел описва мисловен експеримент, в който определено просветлено същество - наричано по-късно демонът на Максуел - използва знанията си, за да намали ентропията и да наруши втория закон.
Всемогъщият демон знае положението и скоростта на всяка молекула в контейнер с газ. Разделяйки контейнера на две половини и отваряйки и затваряйки малката врата между двете камери, демонът пуска само бързи молекули в едната посока и само бавни в другата.
Действията на демона разделят газа на горещ и студен, концентрирайки неговата енергия и намалявайки общата ентропия. Някога безполезен газ с определена средна температура вече може да се използва в топлинен двигател.
Дълги години Максуел и други се чудеха как законът на природата може да зависи от това да знае или да не знае положението и скоростта на молекулите. Ако вторият закон на термодинамиката е субективно зависим от тази информация, тогава как може да бъде абсолютна истина?
Връзка на термодинамиката с информацията
Век по-късно американският физик Чарлз Бенет, опирайки се на работата на Лео Силард и Ролф Ландауер, разрешава парадокса, като официално свързва термодинамиката с науката на информацията. Бенет твърди, че знанието на демона се съхранява в паметта му и паметта трябва да бъде изчистена, което изисква работа.
През 1961 г. Ландауер изчислява, че при стайна температура компютърът се нуждае от поне 2,9 х 10-21 джаула, за да изтрие един бит съхранена информация. С други думи, когато демон отделя топли и студени молекули, намалявайки ентропията на газа, съзнанието му изразходва енергия и общата ентропия на системата газ + демон се увеличава, без да се нарушава вторият закон на термодинамиката.
Изследванията показват, че информацията е физическо количество - колкото повече информация имате, толкова повече работа можете да извлечете. Демонът на Максуел създава работа от газ при една температура, защото има много повече информация от обикновен наблюдател.
Отне още половин век и разцветът на теорията на квантовата информация, поле, родено от стремежа към квантовия компютър, за физиците да проучат подробно изумителните последици от идеята на Бенет.
През последното десетилетие физиците приемат, че енергията пътува от горещи предмети до студени предмети поради определен начин на разпространение на информация между частиците.
Според квантовата теория физическите свойства на частиците са вероятностни и частиците могат да бъдат в суперпозиция на състояния. Когато си взаимодействат, те се заплитат, като комбинират заедно вероятностните разпределения, описващи техните състояния.
Централното положение на квантовата теория е твърдението, че информацията никога не се губи, тоест сегашното състояние на Вселената запазва цялата информация за миналото. Въпреки това, с течение на времето, докато частиците си взаимодействат и се заплитат все повече, информацията за техните отделни състояния се смесва и разпределя между все повече и повече частици.
Чашата с кафе се охлажда до стайна температура, защото когато молекулите на кафето се сблъскват с молекулите на въздуха, информацията, която кодира енергията на кафето, изтича, се предава в околния въздух и се губи в него.
Разбирането на ентропията като субективна мярка обаче позволява на Вселената като цяло да се развива без загуба на информация. Дори когато ентропията на части от Вселената, например, газови частици, кафе, читатели на N + 1, нараства, когато тяхната квантова информация се губи във Вселената, глобалната ентропия на Вселената винаги остава нула.
Квантови топлинни двигатели
Как сега, използвайки по-дълбоко разбиране на квантовата термодинамика, да изградим топлинен двигател?
През 2012 г. бе създаден Европейският технологичен изследователски център за квантова термодинамика и в момента работят над 300 учени и инженери.
Екипът на центъра се надява да проучи законите, регулиращи квантовите преходи в квантовите двигатели и хладилниците, които някой ден могат да охладят компютрите или да бъдат използвани в соларни панели, биоинженеринг и други приложения.
Изследователите вече разбират много по-добре, отколкото преди, на какво са способни квантовите двигатели.
Топлинният двигател е устройство, което използва квантова работна течност и два резервоара при различни температури (нагревател и охладител) за извличане на работа. Работата е прехвърляне на енергия от двигателя към някакъв външен механизъм, без да се променя ентропията на механизма.
От друга страна, топлината е обмен на енергия между работния флуид и резервоара, което променя ентропията на резервоара. Със слаба връзка между резервоара и работната течност топлината се свързва с температура и може да се изрази като dQ = TdS, където dS е промяната в ентропията на резервоара.
В елементарен квантов топлинен двигател работният флуид се състои от една частица. Такъв мотор удовлетворява втория закон и следователно също е ограничен от границата на ефективност на Carnot.
Когато работната среда е в контакт с резервоара, популацията на енергийните нива се променя в работната среда. Определящото свойство на резервоара е способността му да привежда работната течност до дадена температура, независимо от първоначалното състояние на тялото.
В този случай температурата е параметър на квантовото състояние на системата, а не макропараметър, както в класическата термодинамика: можем да говорим за температура като популация на енергийните нива.
В процеса на обмен на енергия с резервоара тялото също обменя ентропия, поради което обменът на енергия на този етап се счита за топлопренос.
Например, помислете за квантовия цикъл на Ото, при който двустепенна система ще действа като работна течност. В такава система има две енергийни нива, всяко от които може да бъде населено; нека енергията на земното ниво е E 1, а възбуденото ниво E 2. Ото цикълът се състои от 4 етапа:
I. Разстоянието между нивата E 1 и E 2 се увеличава и става Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Има контакт с нагревателя, системата се загрява, тоест горното ниво на енергия се попълва и ентропията на работния флуид се променя. Това взаимодействие трае време τ 1.
III. Между нивата E 1 и E 2 има компресия, тоест има работа по системата, сега разстоянията между нивата са Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Тялото се привежда в контакт с хладилника за време τ 2, което му дава възможност да се отпусне, да изпразни горното ниво. По-ниското ниво вече е напълно населено.
Тук не можем да кажем нищо за температурата на работната течност, само температурите на нагревателя и хладилника имат значение. Перфектното произведение може да бъде написано като:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
където p 0 (1) е вероятността работният флуид да е бил в земята (възбудено) състояние. Ефективността на този квантов четиритактов двигател е η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ото цикъл по квантова система на две нива.
Например, възможно е да се изгради квантов двигател, при който свръхпроводящ кубит играе ролята на работна течност, а два нормални резистора с различно съпротивление се използват като нагревател и хладилник.
Тези резистори генерират шум с характерна температура: голям шум - нагревател, малък - хладилник.
Правилната работа на такъв двигател беше показана в работата на учени от университета в Аалто във Финландия.
При прилагането на цикъла на Ото разликата между енергийните нива може да се модулира с постоянен магнитен поток, тоест да се „изтласка“или „разшири“нивата, а включването на взаимодействието с резервоарите се получи отлично чрез къси микровълнови сигнали.
През 2015 г. учени от Еврейския университет в Йерусалим изчислиха, че подобни квантови двигатели могат да превъзхождат класическите колеги.
Тези вероятностни двигатели все още следват формулата на Carnot за ефективност по отношение на това колко работа могат да извлекат от енергията, преминаваща между топли и студени тела. Но те са в състояние да извлекат работата много по-бързо.
Едноионният двигател беше експериментално демонстриран и представен през 2016 г., въпреки че не използва квантови ефекти за усилване на мощността.
Наскоро беше построен квантов топлинен двигател, базиран на ядрено-магнитен резонанс, чиято ефективност беше много близка до идеалната ηCarnot.
Квантовите топлинни двигатели могат да се използват и за охлаждане както на големи, така и на микроскопични системи, като кубити в квантов компютър.
Охлаждането на микросистема означава намаляване на популациите на възбудени нива и намаляване на ентропията. Това може да стане чрез същите термодинамични цикли, включващи нагревателя и хладилника, но работещи в обратна посока.
През март 2017 г. беше публикувана статия, в която, използвайки теорията на квантовата информация, е изведен третият закон на термодинамиката - изявление за невъзможността за достигане на абсолютна нулева температура.
Авторите на статията показаха, че ограничаването на скоростта на охлаждане, което предотвратява постигането на абсолютна нула, възниква от ограничението за това колко бързо може да се изпомпва информация от частици в обект с ограничен размер.
Ограничението на скоростта има много общо с възможностите за охлаждане на квантовите хладилници.
Бъдещето на квантовите двигатели
Скоро ще видим разцвета на квантовите технологии и тогава квантовите топлинни двигатели могат да помогнат много.
Няма да работи с помощта на кухненски хладилник за охлаждане на микросистемите поради нестабилната си работа - средно температурата в него е ниска, но на местно ниво може да достигне неприемливи стойности.
Благодарение на тясната връзка на квантовата термодинамика с информацията, ние сме в състояние да използваме нашите знания (информация) за извършване на локална работа - например за прилагане на квантовия демон Максуел, използвайки многостепенни системи, за охлаждане (пречистване на състоянието) на кубитите в квантов компютър.
Що се отнася до квантовите двигатели в по-голям мащаб, твърде рано е да се спори, че такъв двигател ще замени двигател с вътрешно горене. Засега едноатомните двигатели имат твърде ниска ефективност.
Интуитивно е ясно обаче, че когато използваме макроскопична система с много степени на свобода, ще можем да извлечем само малка част от полезната работа, тъй като такава система може да се контролира само средно. В концепцията за квантовите двигатели става възможно по-ефективно управление на системите.
В момента има много теоретични и инженерни въпроси в науката за наноразмерните топлинни двигатели. Например, квантовите колебания са голям проблем, който може да създаде "квантово триене", въвеждайки допълнителна ентропия и намалявайки ефективността на двигателя.
Физиците и инженерите сега активно работят върху оптималния контрол на квантовия работен флуид и създаването на нагревател и наноохладител. Рано или късно квантовата физика ще ни помогне да създадем нов клас полезни устройства.
Михаил Перелщайн
