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

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, 10:51
4 минуты
Сергей Васильев

Накопление эпигенетических модификаций ДНК позволило провести параллели между возрастом собак и людей и найти новую формулу для пересчета одного в другой.

Вчера, 15:33
40 минут
Александр Березин

Женщины заводят ребенка не от мужа тем чаще, чем ниже его социальная ценность. Попробуем разобраться, как биология подталкивает их к изменам и почему моногамия имеет все шансы на реванш.

Позавчера, 15:36
3 минуты
Никита Шевцов

В регионе Внутренняя Монголия в Китае подтвердили вспышку бубонной чумы. Заразился уже третий человек за последний месяц.

15 ноября
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 10:51
4 минуты
Сергей Васильев

Накопление эпигенетических модификаций ДНК позволило провести параллели между возрастом собак и людей и найти новую формулу для пересчета одного в другой.

Вчера, 15:33
40 минут
Александр Березин

Женщины заводят ребенка не от мужа тем чаще, чем ниже его социальная ценность. Попробуем разобраться, как биология подталкивает их к изменам и почему моногамия имеет все шансы на реванш.

15 ноября
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 10:51
4 минуты
Сергей Васильев

Накопление эпигенетических модификаций ДНК позволило провести параллели между возрастом собак и людей и найти новую формулу для пересчета одного в другой.

12 ноября
4 минуты
Никита Шевцов

Ученые использовали современные методы анализа и создали тест, который может определить, принимал ли человек наркотики, даже после того, как он тщательно вымыл руки.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

Александр Биндюк
18:59
-
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
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: