• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
30.09.2014
Редакция Naked Science
2
5 637

Квантовый двигатель, или как обмануть законы термодинамики

3.5

В журнале Nature была опубликована статья, обосновывающая реализуемость особого квантового двигателя. Принципы квантовой механики в этой концепции сглаживают ограничения, которые накладывает на этот двигатель закон, известный как второй закон термодинамики, позволяя достичь максимальной эффективности.

Квантовый двигатель
©Wikipedia / Автор: Plinia Abito

Эффективность любого двигателя зависит от того, сколько энергии он теряет при работе. Паровые двигатели именно потому не получили широкого распространения, что слишком много тепла уходило не на преобразование в кинетическую энергию (то есть в движение), а в окружающее пространство.

Воплотиться в реальность миру стимпанка отчасти помешала сама природа, в частности – второй закон термодинамики, по которому любая замкнутая система стремится к равномерному рассеиванию энергии-тепла. Это накладывает определенные ограничения практически на любые двигатели. 

Почти непреодолимым препятствием на пути к максимально эффективному (идеальному) двигателю также является трение при совершении механической работы – о воздушную среду, о детали механизма и т.д.

Таким образом, часть энергии, выделяемая при преобразовании топлива, безвозвратно теряется, что приводит к снижению эффективности того или иного двигателя. Избежать трения и потери энергии в макроскопических (то есть в крупных, вроде автомобильного двигателя внутреннего сгорания) системах довольно трудно.

Появляется закономерный вопрос – можно ли обойти ограничения макромира, «спустившись» в микромир?

Достаточно одного атома

Как показывает ряд исследований, посвященных созданию квантовых двигателей, можно. Дело в том, что на квантовых масштабах термодинамические процессы проходят совсем по-другому. Это даже привело ученых к необходимости создания теории, которая объединила бы квантовую механику и термодинамику.

В рамках разработки такой теории физиков привлекла проблема создания квантового двигателя, который мог бы производить работу абсолютно без потери энергии, избегая не только трения, но и теплообмена с внешней средой. Другими словами, такой двигатель достиг бы максимальной эффективности.

Последней и одной из наиболее впечатляющих на данный момент работ в этом направлении является опубликованное в журнале Scientific Reports исследование ученых из США, Великобритании и Италии, в котором теоретически обосновывается возможность функционирования подобного двигателя, обладающего адиабатическими свойствами (то есть лишенного теплообмена с внешней средой).

В частности, физикам удалось адаптировать цикл Отто – термодинамический процесс, описывающий действие идеального двигателя внутреннего сгорания – к масштабам микромира. Позволили им это сделать современные достижения теоретической физики. Например, ученые использовали экспериментально доказанную теорему флуктуаций, которая аккуратно корректирует второй закон термодинамики и допускает, что энтропия (рассеивание энергии) со временем может не только увеличиваться в некоторых системах, но и уменьшаться. 

Четыре стадии цикла Отто, адаптированного к квантовым масштабам, в котором теплота (heat) входит в осциллятор, затем выходит, совершая механическую работу (work) / © A. del Campo, et al.

Используя так называемые «короткие пути для достижения адиабатичности» (shortcuts to  adiabaticity), ученые показали, как мог бы работать двигатель на основе цикла Отто размером с атом. «Поршнем» в нем являлся бы квантовый гармонический осциллятор, окруженный двумя микроскопическими камерами для подвода теплоты к рабочему телу (осциллятору) и его охлаждению. Сама работа, как и в стандартном, не квантовом цикле Отто, совершалась бы при помощи сжатия и расширения рабочего тела.

Отсутствие трения обеспечивалось бы «суперадиабатичностью» – состоянием, имитирующим работу двигателя при медленных адиабатических процессах. Расчеты ученых демонстрируют, что подобный двигатель функционировал бы очень медленно, однако его цикл был бы обратимым и конечным во времени, что позволило бы ему все же совершать некоторую работу.

А что все это значит?

Теоретическое обоснование концепта рабочего «суперадиабатического» квантового двигателя является шагом вперед на пути к осуществлению давней мечты физиков – построению двигателя с максимальной эффективностью при выдаче максимальной мощности. Это, конечно, не вечный двигатель, но тоже очень впечатляющая и куда более реалистичная перспектива.

Также данная работа ученых представляется полезной в деле разработки квантовой термодинамики – теории, которая примирила бы термодинамические процессы и физику элементарных частиц.

«Термодинамика описывает процессы с участием сразу многих частиц, и ее квантовая адаптация должна так же адекватно отражать многочастичные процессы. Осуществление подобных концептов – вроде того, что мы предложили в своей работе – позволит нам значительно лучше контролировать эти процессы», – говорит Мауро Патерностро (Mauro Paternostro) из Университета Квинса (Великобритания), один из авторов исследования. 

Впрочем, практическая реализация предложенной схемы квантового двигателя тоже не является чем-то фантастическим и отдаленным, считают авторы исследования. Более того – ученые намерены экспериментально воплотить придуманный ими двигатель в самое ближайшее время.

Патерностро и его коллеги уже ведут переговоры с представителями некоторых научных организаций в Европе, чтобы проверить  свою теорию. В частности, они хотят получить доступ к определенному оборудованию, чтобы сначала поймать одиночный атом при помощи лазера, а затем подвергнуть его тепловым преобразованиям цикла Отто.

Если физикам удастся уже на практике доказать свою правоту, это может привести к повсеместному распространению максимально эффективных микродвигателей квантовых и нано- масштабов, спектр применения которых может оказаться весьма впечатляющим.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 17:37
Мария Азарова

Авторы нового исследования выявили три фактора, ответственные за так называемый алкогольный блэкаут — распространенное последствие употребления спиртных напитков, когда человек сталкивается с провалами в памяти.

19 апреля
Александр Березин

В норме чем больше становится видов в группе, тем острее они конкурируют между собой, что сначала замедляет возникновение новых видов, а затем ведет к вымиранию. Новая научная работа показала, что у рода Homo ситуация почему-то была обратной: чем больше видов он образовывал, тем быстрее возникали новые дополнительные. Среди позвоночных подобных примеров нет, только среди жуков на изолированных островах. Ученые выдвинули ряд гипотез, позволяющих объяснить столь удивительный результат.

Позавчера, 16:49
Андрей

Международная группа геофизиков изучила облик внутреннего ядра Земли, чтобы выяснить, какой у него тип тепловой конвекции. В ходе исследования ученые обнаружили самые горячие и самые холодные точки в центре планеты.

Вчера, 17:37
Мария Азарова

Авторы нового исследования выявили три фактора, ответственные за так называемый алкогольный блэкаут — распространенное последствие употребления спиртных напитков, когда человек сталкивается с провалами в памяти.

19 апреля
Дарья Г.

По оценкам ученых, «свободных» планет в Млечном Пути может быть в 20 раз больше, чем звезд. Так как планеты сами не светятся, разглядеть их сложно: их ищут гравилинзированием, лучше всего обнаруживающим самые массивные планеты типа Юпитера. Но вот удалось найти еще одну такую «сироту», причем не массивную с Юпитер, а земного размера. И ученые уверены, что это лишь первая находка из многих.

Позавчера, 16:49
Андрей

Международная группа геофизиков изучила облик внутреннего ядра Земли, чтобы выяснить, какой у него тип тепловой конвекции. В ходе исследования ученые обнаружили самые горячие и самые холодные точки в центре планеты.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

29 марта
Ольга Иванова

Ученые из США и Швейцарии определили четыре ключевых механизма, задействованных в трансформации личности человека. Но ни один из них не сработает без самого главного — сильного желания измениться.

[miniorange_social_login]

Комментарии

2 Комментария

Старая песня о главном или сказка про то как из вакуумных флуктуаций энергию получать. Как-то Эйнштейн заметил, что термодинамика - единственный раздел физики, не потребовавший пересмотра в свете новых теорий физики 20-го века: квантовой теории и теории относительности. Это действительно так, единственно после появления квантов была уточнена теорема Нернста, гласящая, что при приближении к абсолютному нулю энтропия стремится к универсальному значению не зависящему от природы физической системы. Кванты уточняют что это универсальное значение - ноль, тогда энтропия становится мерой точности информации о системе. Все эти сенсационные "работы" от повальной неграмотности, увы. Причём и у нас и на западе. Видимо, на поколении пепси природа решила отдохнуть. Спасибо ЕГЭ.
    Eugene
    21.08.2021
    -
    1
    +
    Колебания квантового осциллятора это не энергия вакуума. В колебания атома который сидит в своей потенциальной ямке решетки можно вкачивать реальную энергию и можно её отводить. Здесь концепт в том, что выкачивая реальную тепловую энергию в ненулевые, естественно, колебания атома, можно всю эту энергию перевести в работу. В термодинамике такого нельзя, а некоторые квантовые системы могут работать без потерь.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: