Квантовый двигатель, или как обмануть законы термодинамики — Naked Science
10 минут
Редакция
1

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 сглаживает ограничения, которые накладывает на этот двигатель закон, известный как второй закон термодинамики, позволяя достичь максимальной эффективности.

Квантовый двигатель
©Wikipedia

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.
26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

28 февраля
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

11 часов назад
8 минут
Мария Азарова

Хотите увидеть ожившего Шекспира или подмигивающую вам госпожу Лизу дель Джокондо? С немного пугающей всех нас технологией deepfake это можно сделать всего за пару минут.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

24 февраля
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[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
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: