Журнал «Nature» опубликовал статью, подтверждающую возможность создания специального квантового двигателя. Принципы квантовой механики в этой концепции устраняют ограничения, налагаемые вторым законом термодинамики на этот двигатель, обеспечивая максимальную эффективность.
КПД любого двигателя зависит от того, сколько энергии он теряет во время работы. Причина, по которой паровые двигатели не получили широкого распространения, заключалась именно в том, что так много тепла терялось не в кинетическую энергию (то есть движение), а в окружающее пространство.
Миру стимпанка отчасти мешает сама природа, в частности второй закон термодинамики, согласно которому любая закрытая система стремится к равномерному рассеиванию энергии и тепла. Это накладывает определенные ограничения практически на все двигатели.
Почти непреодолимым препятствием для наиболее эффективного (идеального) двигателя является также трение при совершении механической работы — в воздухе, на механических частях и т д
В результате часть энергии, выделяющейся при переключении топлива, безвозвратно теряется, что приводит к снижению КПД данного двигателя. В макроскопических (т.е больших, например автомобильных двигателях внутреннего сгорания) системах избежать трения и потерь энергии довольно сложно.
Возникает закономерный вопрос: можно ли обойти ограничения макромира, «спустившись» в микромир?
Достаточно одного атома
Как показали многие исследования, посвященные созданию квантовых двигателей, это возможно. Дело в том, что на квантовом уровне термодинамические процессы происходят совершенно по-другому. Это даже привело к тому, что учёным пришлось создать теорию, объединяющую квантовую механику и термодинамику.
В рамках разработки этой теории физиков привлекла проблема создания квантовых двигателей, которые могли бы совершать работу вообще не теряя энергии, избегая не только трения, но и теплообмена с внешней средой. Другими словами, такой двигатель достигнет максимальной эффективности.
Одной из последних и наиболее впечатляющих работ в настоящее время в этом направлении является исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports учёными из США, Великобритании и Италии, которое теоретически подтверждает, что данный тип адиабатического режима работы двигателя имеет характерные свойства (т.е отсутствует теплообмен с внешней средой).
В частности, физики смогли применить цикл Отто — термодинамический процесс, описывающий действие идеального двигателя внутреннего сгорания, — на микроскопическом уровне. Современные достижения теоретической физики позволяют им это сделать. Например, ученые использовали экспериментально доказанную волновую теорему, которая аккуратно модифицирует второй закон термодинамики и позволяет энтропии (рассеиванию энергии) не только увеличиваться, но и уменьшаться с течением времени в некоторых системах.
Используя так называемые «адиабатические сокращения», ученые показали, как работает двигатель Отто размером с атом. «Поршень» будет представлять собой квантовый резонатор, окруженный двумя микроскопическими камерами, которые обеспечивают тепло рабочей жидкости (осциллятора) и охлаждают ее. Как и в стандартном неквантовом цикле Отто, сама работа будет совершаться за счет сжатия и расширения рабочей жидкости.
«Суперадиабатический» режим, имитирующий работу двигателя в медленном адиабатическом процессе, гарантирует отсутствие трения. Расчеты ученых показывают, что такой двигатель работает очень медленно, но его цикл обратим и ограничен по времени, что все же позволяет ему совершать некоторую работу.
А что все это значит?
Теоретическая демонстрация работающей концепции «сверхрадиабатического» квантового двигателя — это шаг к реализации давней мечты физиков — создать двигатель, обеспечивающий максимальную мощность и при этом чрезвычайно эффективный. Конечно, это не вечный двигатель, но это тоже очень впечатляющая и более реалистичная перспектива.
Кроме того, работа ученых, по-видимому, полезна для развития квантовой термодинамики – теории, которая объединяет термодинамические процессы и физику элементарных частиц.
«Термодинамика описывает процессы, в которых одновременно участвует множество частиц, и ее квантовая адаптируемость также должна полностью отражать многочастичные процессы. Реализация концепций, которые мы представляем в нашей статье, позволит нам лучше контролировать эти процессы», — сказал один из авторов исследования Мауро Патерностро из Об этом сообщает Королевский университет.
Однако авторы исследования полагают, что практическая реализация предложенной схемы квантового двигателя не является мечтательной и далекой. Кроме того, ученые намерены в ближайшем будущем провести эксперименты на изобретенном ими двигателе.
Патерностро и его коллеги уже ведут переговоры с представителями ряда европейских научных организаций, чтобы проверить свою теорию. В частности, они надеются использовать некое оборудование, которое сначала захватывает отдельные атомы с помощью лазера, а затем подвергает их термическому преобразованию по циклу Отто.
Если физики смогут доказать свою точку зрения на практике, это может привести к широкому распространению наиболее эффективных квантовых и наноразмерных микродвигателей, диапазон применения которых может быть весьма впечатляющим.