Ljudje so se naučili graditi zelo močne motorje z notranjim zgorevanjem, vendar se niso naučili glavne stvari - občutnega povečanja njihove učinkovitosti. Mejo na tej poti določa drugi zakon termodinamike, ki pravi, da se entropija sistema neizogibno poveča. Toda ali je mogoče s pomočjo kvantne fizike to mejo preseči? Izkazalo se je, da je mogoče, a za to je bilo treba razumeti, da je entropija subjektivna, toplota in delo pa daleč od edine možne oblike energije. Za več informacij o tem, kaj so kvantni motorji, kako so razporejeni in česa so sposobni, preberite v našem gradivu.
V 300 letih razvoja tehnologije izračuna, oblikovanja in konstrukcije motorjev problem ustvarjanja stroja z visokim faktorjem učinkovitosti ni bil rešen, čeprav je kritičen za številna področja znanosti in tehnologije.
Kvantna fizika, ki so jo odkrili v začetku 20. stoletja, nam je v svetu tehnologije že predstavila številna presenečenja: atomsko teorijo, polprevodnike, laserje in na koncu tudi kvantne računalnike. Ta odkritja temeljijo na nenavadnih lastnostih subatomskih delcev, in sicer na kvantnih korelacijah med njimi - čisto kvantnem načinu izmenjave informacij.
In zdi se, da nas je kvantna fizika pripravljena še enkrat presenetiti: leta razvoja kvantne termodinamike so fizikom omogočila, da so pokazali, da imajo lahko kvantni toplotni motorji visoko učinkovitost na majhnih lestvicah, nedostopni klasičnim strojem.
Oglejmo si, kaj je kvantna termodinamika, kako delujejo toplotni motorji, kaj izboljšuje kvantna fizika in kaj je treba storiti, da se ustvari učinkovit motor prihodnosti.
Klasični toplotni motorji
28-letni francoski inženir Sadi Carnot je v svoji knjigi iz leta 1824 Odsevi o gibalni sili ugotovil, kako parni stroji lahko učinkovito pretvorijo toploto v delo, zaradi česar se bat ali premik kolesa.
Promocijski video:
Na presenečenje Carnota je bila učinkovitost idealnega motorja odvisna le od temperaturne razlike med toplotnim virom motorja (grelec, ponavadi ogenj) in hladilnikom (hladilnik, običajno zunanji zrak).
Carnot je spoznal, da je delo stranski produkt naravnega prehoda toplote iz vročega v hladno telo.
Shema dela toplotnega motorja.
Pri toplotnih motorjih se uporablja naslednji cikel. Toplota Q1 se dovaja iz grelnika s temperaturo t1 v delovno tekočino, del toplote Q 2 se odstrani v hladilnik s temperaturo t 2, t 1> t 2.
Delo, ki ga opravi toplotni motor, je enako razliki med dobavljeno in odvzeto toploto: A = Q 1 - Q 2, izkoristek η pa bo enak η = A / Q 1.
Carnot je pokazal, da učinkovitost katerega koli toplotnega motorja ne more preseči učinkovitosti idealnega toplotnega motorja, ki deluje v svojem ciklu z enakimi temperaturami grelnika in hladilnika ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Ustvarjanje učinkovitega toplotnega motorja je največji približek dejanske vrednosti Učinkovitost η do idealnega ηCarnot.
Sadi Carnot je zaradi kolere umrl osem let pozneje - preden je lahko videl, kako se je že v 19. stoletju njegova formula učinkovitosti pretvorila v teorijo klasične termodinamike - niz univerzalnih zakonov, ki povezujejo temperaturo, toploto, delo, energijo in entropijo.
Klasična termodinamika opisuje statistične lastnosti sistemov z zmanjšanjem mikroparametrov, kot so položaji in hitrosti delcev, na makroparametre: temperaturo, tlak in prostornino. Zakoni termodinamike so se izkazali za uporabne ne samo za parne stroje, ampak tudi za Sonce, črne luknje, živa bitja in vesolje.
Ta teorija je tako preprosta in splošna, da je Albert Einstein verjel, da je "nikoli ne bo strmoglavilo". Vendar je termodinamika že od samega začetka zasedala izjemno čuden položaj med drugimi teorijami vesolja.
"Če bi bile fizične teorije človeške, bi bila termodinamika vaška čarovnica," je pred nekaj leti zapisala fizičarka Lydia del Rio. "Druge teorije se ji zdijo čudne, drugačne od ostalih, vendar vsi pridejo k njej po nasvet in nihče si ne upa nasprotovati."
Termodinamika ni nikoli trdila, da je univerzalna metoda za analizo sveta okoli nas, temveč je način za učinkovito uporabo tega sveta.
Termodinamika nam pove, kako najbolje izkoristiti vire, kot sta vroči plin ali magnetizirana kovina, da dosežemo določene cilje, naj bo to premikanje vlaka ali formatiranje trdega diska.
Njegova vsestranskost izhaja iz dejstva, da ne poskuša razumeti mikroskopskih podrobnosti posameznih sistemov, temveč skrbi samo za določitev, katere operacije je v teh sistemih enostavno izvajati in katere so težke.
Ta pristop se znanstvenikom morda zdi čuden, vendar se aktivno uporablja v fiziki, računalništvu, ekonomiji, matematiki in mnogih drugih krajih.
Ena najčudnejših značilnosti teorije je subjektivnost njenih pravil. Na primer, plin, sestavljen iz delcev z isto temperaturo v povprečju, ima mikroskopske temperaturne razlike ob natančnejšem pregledu.
V zadnjih letih se je pojavilo revolucionarno razumevanje termodinamike, ki razlaga to subjektivnost s pomočjo kvantne teorije informacij, ki opisuje širjenje informacij po kvantnih sistemih.
Tako kot je termodinamika prvotno rasla iz poskusov izboljšanja parnih strojev, sodobna termodinamika opisuje delovanje že kvantnih strojev, ki jih nadzirajo nanodelci.
Za pravilen opis smo prisiljeni razširiti termodinamiko na kvantno območje, kjer pojmi, kot sta temperatura in delo, izgubijo svoj običajni pomen, klasični zakoni mehanike pa prenehajo delovati.
Kvantna termodinamika
Rojstvo kvantne termodinamike
V pismu iz leta 1867 svojemu škotskemu kolegu Petru Tateju je slavni fizik James Clark Maxwell formuliral znameniti paradoks in namignil na povezavo med termodinamiko in informacijami.
Paradoks se je nanašal na drugi zakon termodinamike - pravilo, da se entropija vedno poveča. Kot je pozneje opozoril sir Arthur Eddington, to pravilo "zaseda prevladujoč položaj med zakoni narave."
Po drugem zakonu postane energija bolj neurejena in manj uporabna, ko potuje od vročih do hladnih teles in razlike v znižanju temperature.
In kot se spomnimo iz Carnotovega odkritja, je za opravljeno delo potrebno vroče in hladno telo. Požari ugasnejo, skodelice za jutranjo kavo se ohladijo in vesolje hiti v stanje enakomerne temperature, znano kot vročinska smrt vesolja.
Veliki avstrijski fizik Ludwig Boltzmann je pokazal, da je povečanje entropije posledica zakonov običajne matematične statistike: veliko več načinov za enakomerno porazdelitev energije med delci kot za njeno lokalno koncentracijo. Ko se delci premikajo, se nagibajo k višjim entropijskim stanjem.
Toda Maxwell-ovo pismo je opisovalo miselni eksperiment, v katerem določeno razsvetljeno bitje - pozneje imenovano Maxwell-ov demon - svoje znanje uporablja za zmanjšanje entropije in kršenje drugega zakona.
Vsemogočni demon pozna položaj in hitrost vsake molekule v posodi s plinom. Z deljenjem posode na dve polovici in odpiranjem in zapiranjem majhnih vrat med obema prekatoma demon pušča samo hitre molekule v eno smer, v drugo pa le počasne.
Demonjeve akcije razdelijo plin na vroč in hladen, koncentrirajo njegovo energijo in zmanjšajo skupno entropijo. Nekoč neuporaben plin z določeno povprečno temperaturo se zdaj lahko uporablja v toplotnem motorju.
Maxwell in drugi so se dolga leta spraševali, kako je lahko zakon narave odvisen od poznavanja ali neznanja položaja in hitrosti molekul. Če je drugi zakon termodinamike subjektivno odvisen od teh informacij, kako je potem lahko absolutna resnica?
Razmerje termodinamike z informacijami
Stoletje pozneje je ameriški fizik Charles Bennett, ki je opustil delo Lea Szilarda in Rolfa Landauerja, paradoks razrešil tako, da je termodinamiko formalno povezal z znanostjo informacij. Bennett je trdil, da je demonovo znanje shranjeno v njegovem spominu, pomnilnik pa mora biti očiščen, kar zahteva delo.
Leta 1961 je Landauer izračunal, da pri sobni temperaturi računalnik potrebuje vsaj 2,9 x 10-21 joulov, da izbriše en košček shranjenih informacij. Z drugimi besedami, ko demon loči molekule vročega in hladnega in tako zmanjša entropijo plina, njegova zavest porablja energijo, skupna entropija sistema plin + demon pa se poveča, ne da bi kršil drugi zakon termodinamike.
Raziskave so pokazale, da so informacije fizične količine - več informacij imate, več dela lahko izvlečete. Maxwell-ov demon ustvarja delo iz plina pri eni temperaturi, ker ima veliko več informacij kot navaden opazovalec.
Poteklo je še pol stoletja in razcvet teorije kvantnih informacij, polja, rojenega v prizadevanju za kvantni računalnik, je fizikom podrobno preučil neverjetne posledice Bennettove ideje.
V zadnjem desetletju so fiziki domnevali, da energija potuje od vročih predmetov do hladnih predmetov zaradi določenega načina širjenja informacij med delci.
Po kvantni teoriji so fizikalne lastnosti delcev verjetne in delci so lahko v superpoziciji stanj. Ko medsebojno delujejo, se zapletejo, če združijo verjetnostne porazdelitve, ki opisujejo njihova stanja.
Osrednji položaj kvantne teorije je trditev, da se informacije nikoli ne izgubijo, to pomeni, da sedanje stanje Vesolja ohranja vse informacije o preteklosti. Vendar sčasoma, ko delci medsebojno delujejo in se vse bolj zapletajo, se informacije o njihovih posameznih stanjih mešajo in razporejajo med vse več in več delcev.
Skodelica kave se ohladi na sobno temperaturo, ker se, ko molekule kave trčijo z molekulami zraka, informacije, ki kodirajo energijo kave, iztekajo, se prenašajo v okoliški zrak in se v njem izgubijo.
Vendar razumevanje entropije kot subjektivnega ukrepa omogoča Vesolju kot celoti, da se razvije brez izgube informacij. Tudi ko entropija delov vesolja, na primer plinskih delcev, kave, bralcev N + 1, raste, ko se v vesolju izgubijo njihove kvantne informacije, globalna entropija vesolja vedno ostane enaka nič.
Kvantni toplotni motorji
Kako zdaj z globljim razumevanjem kvantne termodinamike sestaviti toplotni motor?
Leta 2012 je bilo ustanovljeno Tehnološko evropsko raziskovalno središče za kvantno termodinamiko in ima trenutno več kot 300 znanstvenikov in inženirjev.
Ekipa centra upa, da bo raziskala zakone, ki urejajo kvantne prehode v kvantnih motorjih in hladilnikih, ki bi nekoč lahko ohladili računalnike ali bili uporabljeni v solarnih panelih, bioinženiringu in drugih aplikacijah.
Raziskovalci že veliko bolje razumejo kot pred tem, česa so zmožni kvantni motorji.
Toplotni motor je naprava, ki za pridobivanje dela uporablja kvantno delovno tekočino in dva rezervoarja pri različnih temperaturah (grelec in hladilnik). Delo je prenos energije z motorja na nek zunanji mehanizem brez spreminjanja entropije mehanizma.
Po drugi strani pa je toplota izmenjava energije med delovno tekočino in rezervoarjem, kar spremeni entropijo rezervoarja. S šibko povezavo med rezervoarjem in delovno tekočino je toplota povezana s temperaturo in jo lahko izrazimo kot dQ = TdS, kjer je dS sprememba entropije rezervoarja.
V osnovnem kvantnem toplotnem motorju je delovna tekočina sestavljena iz enega delca. Tak motor izpolnjuje drugi zakon in je zato tudi omejen z Carnotovo mejo učinkovitosti.
Ko se delovni medij stopi v stik z rezervoarjem, se populacija ravni energije spremeni v delovnem mediju. Opredelitvena lastnost rezervoarja je njegova sposobnost dovajanja delovne tekočine do dane temperature, ne glede na začetno stanje telesa.
V tem primeru je temperatura parameter kvantnega stanja sistema in ne makroparameter, kot v klasični termodinamiki: lahko govorimo o temperaturi kot populaciji energijskih nivojev.
V procesu izmenjave energije z rezervoarjem telo izmenjuje tudi entropijo, zato se izmenjava energije v tej fazi šteje za prenos toplote.
Na primer, razmislite o kvantnem Ottovem ciklu, v katerem bo dvostopenjski sistem deloval kot delovna tekočina. V takem sistemu obstajata dve ravni energije, od katerih se lahko vsak naseli; naj bo energija zemeljske ravni E 1, vznemirjena pa E 2. Cikel Otto je sestavljen iz 4 stopenj:
I. Razdalja med nivojema E 1 in E 2 narašča in postane Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Obstaja stik z grelcem, sistem se segreva, to pomeni, da je zgornja raven energije napolnjena in entropija delovne tekočine se spremeni. Ta interakcija traja čas τ 1.
III. Med nivojema E 1 in E 2 pride do stiskanja, torej je delo na sistemu, zdaj so razdalje med nivojema Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Telo za nekaj časa pripelje v stik s hladilnikom, kar mu omogoča sprostitev, praznjenje zgornje ravni. Spodnja stopnja je zdaj popolnoma naseljena.
Tu ne moremo reči ničesar o temperaturi delovne tekočine, pomembne so le temperature grelnika in hladilnika. Popolno delo lahko zapišemo kot:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
kjer je p 0 (1) verjetnost, da je bila delovna tekočina v zemeljskem (vznemirjenem) stanju. Učinkovitost tega kvantnega štiritaktnega motorja je η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Oto cikel na kvantnem dvostopenjskem sistemu.
Na primer, je mogoče sestaviti kvantni motor, v katerem superprevodni kbit igra vlogo delovne tekočine, dva običajna upora z različnimi upori pa se uporabljata kot grelec in hladilnik.
Ti upori ustvarjajo hrup z značilno temperaturo: velik hrup - grelec, majhen - hladilnik.
Pravilno delovanje takega motorja se je pokazalo v delu znanstvenikov z univerze Aalto na Finskem.
Pri izvajanju ciklusa Otto lahko razliko med nivoji energije moduliramo s konstantnim magnetnim tokom, to je, "stisnemo" ali "razširimo" nivoje, vklop interakcije z rezervoarji pa se je odlično dobil s kratkimi mikrovalovnimi signali.
Leta 2015 so znanstveniki z hebrejske univerze v Jeruzalemu izračunali, da lahko takšni kvantni motorji prekašajo klasične kolegije.
Ti verjetnostni motorji še vedno sledijo Carnotovi formuli za učinkovitost glede na to, koliko dela lahko črpajo iz energije, ki se pretaka med vročimi in hladnimi telesi. Toda delo so sposobni pridobiti veliko hitreje.
Eno-ionski motor je bil eksperimentalno prikazan in predstavljen leta 2016, čeprav za povečanje moči ni uporabil kvantnih učinkov.
Pred kratkim so zgradili kvantni toplotni motor, ki temelji na jedrski magnetni resonanci, katerega učinkovitost je bila zelo blizu idealnemu ηCarnot.
Kvantni toplotni motorji se lahko uporabljajo tudi za hlajenje velikih in mikroskopskih sistemov, kot so na primer kviti v kvantnem računalniku.
Hlajenje mikrosistema pomeni zmanjšanje populacije na vznemirjenih nivojih in zmanjšanje entropije. To je mogoče storiti z enakimi termodinamičnimi cikli, ki vključujejo grelec in hladilnik, vendar tečeta v nasprotni smeri.
Marca 2017 je bil objavljen članek, v katerem je s pomočjo kvantne teorije informacij izpeljan tretji zakon termodinamike - izjava o nemožnosti doseganja absolutne ničelne temperature.
Avtorji članka so pokazali, da omejitev hitrosti hlajenja, ki preprečuje doseganje absolutne ničle, izhaja iz omejitve, kako hitro je mogoče informacije izčrpati iz delcev v predmetu končne velikosti.
Omejitev hitrosti ima veliko opravka s hladilnimi zmogljivostmi kvantnih hladilnikov.
Prihodnost kvantnih motorjev
Kmalu bomo videli razcvet kvantnih tehnologij, nato pa lahko kvantni toplotni motorji veliko pomagajo.
Če uporabljate kuhinjski hladilnik za hlajenje mikrosistemov, zaradi njegovega zmotnega delovanja ne bo šlo - v povprečju je temperatura v njem nizka, lokalno pa lahko doseže nesprejemljive vrednosti.
Zaradi tesne povezave kvantne termodinamike z informacijami lahko svoje znanje (informacije) uporabimo za opravljanje lokalnega dela - na primer za izvajanje kvantnega demona Maxwell z večstopenjskimi sistemi za hlajenje (čiščenje stanja) qubitov v kvantnem računalniku.
Kar se tiče kvantnih motorjev v večjem obsegu, je še prezgodaj trditi, da bo tak motor nadomestil motor z notranjim zgorevanjem. Do zdaj imajo eno atomski motorji prenizko učinkovitost.
Je pa intuitivno jasno, da bomo lahko z uporabo makroskopskega sistema z veliko stopnjami svobode izvlekli le manjši del koristnega dela, saj je tak sistem mogoče nadzorovati le v povprečju. V konceptu kvantnih motorjev je mogoče učinkoviteje nadzirati sisteme.
Trenutno obstaja veliko teoretičnih in inženirskih vprašanj v znanosti o nanodelskih toplotnih motorjih. Na primer, velika težava so kvantna nihanja, ki lahko ustvarijo "kvantno trenje", uvedejo dodatno entropijo in zmanjšajo učinkovitost motorja.
Fiziki in inženirji si zdaj aktivno prizadevajo za optimalen nadzor kvantne delovne tekočine in ustvarjanje nanoogrevalnika in nanohladilca. Prej ali slej nam bo kvantna fizika pomagala ustvariti nov razred uporabnih naprav.
Mihail Perelstein