Квантовый двигатель, или как обмануть законы термодинамики — Naked Science
30.09.2014
11 минут
Редакция
1
1354

Квантовый двигатель, или как обмануть законы термодинамики

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

apparatus-for-single-molecule-imaging

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.
 

Позавчера, 15:12
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

Вчера, 11:41
7 минут
Мария Азарова

Ученые проследили эволюцию небольших придонных Hemiscyllium, которые любят прогуливаться по рифам и пескам и стали отдельным видом девять миллионов лет назад.

Позавчера, 14:50
34 минуты
Александр Березин

SpaceX рассчитывает к 2050 году создать на Марсе колонию на миллион человек. Звучит абсурдно: осталось всего 30 лет, а до первого полета на Марс еще многие годы. Некоторые ученые, включая российских, считают планы Маска «фантазией» и «пропагандой». Тем не менее сама по себе постройка миллионной колонии на Красной планете вполне реальна. Разберемся, почему и отчего в это так трудно поверить остальному миру.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

19 января
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

Александр Биндюк
28.12.2018
-
0
+
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.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: