Die Menschen haben gelernt, sehr leistungsstarke Verbrennungsmotoren zu bauen, aber sie haben nicht die Hauptsache gelernt - eine signifikante Steigerung ihrer Effizienz. Die Grenze für diesen Weg wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik festgelegt, der besagt, dass die Entropie eines Systems unvermeidlich zunimmt. Aber ist es möglich, diese Grenze mit Hilfe der Quantenphysik zu überwinden? Es stellte sich heraus, dass dies möglich ist, aber dafür musste man verstehen, dass Entropie subjektiv ist und Wärme und Arbeit weit von den einzig möglichen Energieformen entfernt sind. Weitere Informationen darüber, was Quantenmotoren sind, wie sie angeordnet sind und wozu sie in der Lage sind, finden Sie in unserem Material.
In den 300 Jahren der Entwicklung der Technologie für Berechnung, Konstruktion und Konstruktion von Motoren wurde das Problem der Herstellung einer Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad nicht gelöst, obwohl es für viele Bereiche der Wissenschaft und Technologie von entscheidender Bedeutung ist.
Die zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckte Quantenphysik hat uns in der Welt der Technologie bereits viele Überraschungen beschert: Atomtheorie, Halbleiter, Laser und schließlich Quantencomputer. Diese Entdeckungen basieren auf den ungewöhnlichen Eigenschaften subatomarer Teilchen, nämlich Quantenkorrelationen zwischen ihnen - eine rein quantenweise Art des Informationsaustauschs.
Und es scheint, dass die Quantenphysik bereit ist, uns erneut zu überraschen: Durch jahrelange Entwicklung der Quantenthermodynamik konnten Physiker zeigen, dass Quantenwärmekraftmaschinen in kleinen Maßstäben einen hohen Wirkungsgrad aufweisen können, der für klassische Maschinen unzugänglich ist.
Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, was Quantenthermodynamik ist, wie Wärmekraftmaschinen funktionieren, welche Verbesserungen die Quantenphysik bietet und was getan werden muss, um einen effizienten Motor der Zukunft zu schaffen.
Klassische Wärmekraftmaschinen
Der 28-jährige französische Ingenieur Sadi Carnot hat in seinem Buch Reflections on the Motive Force of Fire von 1824 herausgefunden, wie Dampfmaschinen Wärme effizient in Arbeit umwandeln können, die einen Kolben bewegt oder ein Rad dreht.
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Zu Carnots Überraschung hing der Wirkungsgrad eines idealen Motors nur von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle des Motors (eine Heizung, normalerweise ein Feuer) und einem Kühlkörper (ein Kühlschrank, normalerweise Umgebungsluft) ab.
Carnot erkannte, dass Arbeit ein Nebenprodukt des natürlichen Wärmeübergangs von einem heißen zu einem kalten Körper ist.
Das Arbeitsschema der Wärmekraftmaschine.
In Wärmekraftmaschinen wird der folgende Zyklus verwendet. Die Wärme Q 1 wird vom Heizgerät mit der Temperatur t 1 an das Arbeitsfluid abgegeben, ein Teil der Wärme Q 2 wird mit der Temperatur t 2, t 1> t 2 an den Kühlschrank abgegeben.
Die von der Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit entspricht der Differenz zwischen zugeführter und abgeführter Wärme: A = Q 1 - Q 2, und der Wirkungsgrad η ist gleich η = A / Q 1.
Carnot hat gezeigt, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine, die in ihrem Zyklus bei gleichen Temperaturen von Heizung und Kühlschrank arbeitet, nicht überschreiten kann. ΗCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Die Schaffung einer effizienten Wärmekraftmaschine ist die maximale Annäherung an die Realität Wirkungsgrad η bis ideal ηCarnot.
Sadi Carnot starb acht Jahre später an Cholera - bevor er sehen konnte, wie sich seine Effizienzformel bereits im 19. Jahrhundert in die Theorie der klassischen Thermodynamik verwandelte - eine Reihe universeller Gesetze, die Temperatur, Wärme, Arbeit, Energie und Entropie verbinden.
Die klassische Thermodynamik beschreibt die statistischen Eigenschaften von Systemen, indem Mikroparameter wie Positionen und Geschwindigkeiten von Partikeln auf Makroparameter reduziert werden: Temperatur, Druck und Volumen. Die Gesetze der Thermodynamik galten nicht nur für Dampfmaschinen, sondern auch für die Sonne, Schwarze Löcher, Lebewesen und das gesamte Universum.
Diese Theorie ist so einfach und allgemein, dass Albert Einstein glaubte, dass sie "niemals gestürzt werden wird". Die Thermodynamik nahm jedoch von Anfang an eine äußerst seltsame Position unter anderen Theorien des Universums ein.
"Wenn physikalische Theorien menschlich wären, wäre die Thermodynamik eine Dorfhexe", schrieb die Physikerin Lydia del Rio vor einigen Jahren. "Andere Theorien finden sie seltsam, anders als die anderen, aber jeder kommt zu ihr um Rat und niemand wagt es, ihr zu widersprechen."
Die Thermodynamik hat nie behauptet, eine universelle Methode zur Analyse der Welt um uns herum zu sein, sondern vielmehr eine Möglichkeit, diese Welt effektiv zu nutzen.
Die Thermodynamik zeigt uns, wie wir Ressourcen wie heißes Gas oder magnetisiertes Metall optimal nutzen können, um bestimmte Ziele zu erreichen, sei es beim Bewegen eines Zuges oder beim Formatieren einer Festplatte.
Seine Vielseitigkeit beruht auf der Tatsache, dass es nicht versucht, die mikroskopischen Details einzelner Systeme zu verstehen, sondern sich nur darum kümmert, zu bestimmen, welche Operationen in diesen Systemen einfach zu implementieren und welche schwierig sind.
Dieser Ansatz mag Wissenschaftlern seltsam erscheinen, wird aber in der Physik, Informatik, Wirtschaft, Mathematik und vielen anderen Bereichen aktiv eingesetzt.
Eines der seltsamsten Merkmale einer Theorie ist die Subjektivität ihrer Regeln. Beispielsweise weist ein Gas, das aus Partikeln mit durchschnittlich derselben Temperatur besteht, bei näherer Betrachtung mikroskopische Temperaturunterschiede auf.
In den letzten Jahren hat sich ein revolutionäres Verständnis der Thermodynamik herausgebildet, das diese Subjektivität durch die Quanteninformationstheorie erklärt, die die Ausbreitung von Informationen durch Quantensysteme beschreibt.
So wie die Thermodynamik ursprünglich aus Versuchen zur Verbesserung von Dampfmaschinen hervorgegangen war, beschreibt die moderne Thermodynamik den Betrieb bereits quantenmaschinengesteuerter Nanopartikel.
Für eine korrekte Beschreibung sind wir gezwungen, die Thermodynamik auf den Quantenbereich auszudehnen, in dem Konzepte wie Temperatur und Arbeit ihre übliche Bedeutung verlieren und die klassischen Gesetze der Mechanik nicht mehr funktionieren.
Quantenthermodynamik
Die Geburt der Quantenthermodynamik
In einem Brief von 1867 an seinen schottischen Kollegen Peter Tate formulierte der berühmte Physiker James Clark Maxwell das berühmte Paradoxon und deutete auf den Zusammenhang zwischen Thermodynamik und Information hin.
Das Paradoxon betraf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik - die Regel, dass die Entropie immer zunimmt. Wie Sir Arthur Eddington später bemerkte, "nimmt diese Regel eine beherrschende Stellung unter den Naturgesetzen ein".
Nach dem zweiten Gesetz wird Energie ungeordneter und weniger nützlich, wenn sie von heißen zu kalten Körpern wandert und die Temperaturunterschiede abnehmen.
Und wie wir uns aus Carnots Entdeckung erinnern, ist ein heißer und kalter Körper erforderlich, um nützliche Arbeit zu leisten. Die Feuer gehen aus, die morgendlichen Kaffeetassen kühlen ab und das Universum stürzt sich in einen Zustand gleichmäßiger Temperatur, der als Hitzetod des Universums bekannt ist.
Der große österreichische Physiker Ludwig Boltzmann hat gezeigt, dass die Zunahme der Entropie eine Folge der Gesetze der gewöhnlichen mathematischen Statistik ist: Es gibt viel mehr Möglichkeiten, Energie gleichmäßig zwischen Teilchen zu verteilen als für ihre lokale Konzentration. Wenn sich Teilchen bewegen, neigen sie natürlich zu höheren Entropiezuständen.
Aber Maxwells Brief beschrieb ein Gedankenexperiment, bei dem ein bestimmtes erleuchtetes Wesen - später Maxwells Dämon genannt - sein Wissen nutzt, um die Entropie zu reduzieren und das zweite Gesetz zu verletzen.
Der allmächtige Dämon kennt die Position und Geschwindigkeit jedes Moleküls in einem Gasbehälter. Indem der Dämon den Behälter in zwei Hälften teilt und die kleine Tür zwischen den beiden Kammern öffnet und schließt, lässt er nur schnelle Moleküle in die eine und nur langsame Moleküle in die andere Richtung.
Die Aktionen des Dämons teilen das Gas in heiß und kalt, konzentrieren seine Energie und reduzieren die Gesamtentropie. Ein einst unbrauchbares Gas mit einer bestimmten Durchschnittstemperatur kann jetzt in einer Wärmekraftmaschine verwendet werden.
Viele Jahre lang fragten sich Maxwell und andere, wie das Naturgesetz davon abhängen könnte, die Position und Geschwindigkeit von Molekülen zu kennen oder nicht zu kennen. Wenn der zweite Hauptsatz der Thermodynamik subjektiv von diesen Informationen abhängt, wie kann es dann absolute Wahrheit sein?
Verhältnis von Thermodynamik zu Information
Ein Jahrhundert später löste der amerikanische Physiker Charles Bennett, der sich auf die Arbeit von Leo Szilard und Rolf Landauer stützte, das Paradoxon, indem er die Thermodynamik formal mit der Wissenschaft der Information verband. Bennett argumentierte, dass das Wissen des Dämons in seinem Gedächtnis gespeichert ist und das Gedächtnis gelöscht werden muss, was Arbeit erfordert.
1961 berechnete Landauer, dass ein Computer bei Raumtemperatur mindestens 2,9 x 10-21 Joule benötigt, um ein Bit gespeicherter Informationen zu löschen. Mit anderen Worten, wenn der Dämon heiße und kalte Moleküle trennt und die Entropie des Gases verringert, verbraucht sein Bewusstsein Energie und die Gesamtentropie des Gas + Dämonensystems nimmt zu, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Informationen eine physikalische Größe sind - je mehr Informationen Sie haben, desto mehr Arbeit können Sie extrahieren. Maxwells Dämon erzeugt Arbeit aus Gas bei einer Temperatur, weil er viel mehr Informationen hat als ein gewöhnlicher Beobachter.
Es dauerte ein weiteres halbes Jahrhundert und die Blütezeit der Quanteninformationstheorie, ein Gebiet, das aus dem Streben nach dem Quantencomputer hervorgegangen war, bis die Physiker die verblüffenden Implikationen von Bennetts Idee im Detail untersuchten.
In den letzten zehn Jahren haben Physiker angenommen, dass Energie aufgrund einer bestimmten Art der Informationsverbreitung zwischen Partikeln von heißen zu kalten Objekten wandert.
Nach der Quantentheorie sind die physikalischen Eigenschaften von Partikeln probabilistisch und Partikel können sich in einer Überlagerung von Zuständen befinden. Wenn sie interagieren, verwickeln sie sich, indem sie die Wahrscheinlichkeitsverteilungen kombinieren, die ihre Zustände beschreiben.
Die zentrale Position der Quantentheorie ist die Aussage, dass Informationen niemals verloren gehen, dh der gegenwärtige Zustand des Universums behält alle Informationen über die Vergangenheit. Im Laufe der Zeit, wenn die Partikel interagieren und sich immer mehr verwickeln, werden Informationen über ihre einzelnen Zustände gemischt und auf immer mehr Partikel verteilt.
Die Tasse Kaffee kühlt sich auf Raumtemperatur ab, denn wenn Kaffeemoleküle mit Luftmolekülen kollidieren, tritt die Information, die die Kaffeeenergie codiert, aus, wird an die Umgebungsluft übertragen und geht darin verloren.
Das Verständnis der Entropie als subjektives Maß ermöglicht es jedoch, dass sich das Universum als Ganzes ohne Informationsverlust entwickelt. Selbst wenn die Entropie von Teilen des Universums, beispielsweise Gaspartikeln, Kaffee, N + 1-Lesern, wächst, wenn ihre Quanteninformationen im Universum verloren gehen, bleibt die globale Entropie des Universums immer Null.
Quantenwärmekraftmaschinen
Wie kann man nun mit einem tieferen Verständnis der Quantenthermodynamik eine Wärmekraftmaschine bauen?
2012 wurde das Technologische Europäische Forschungszentrum für Quantenthermodynamik gegründet, in dem derzeit über 300 Wissenschaftler und Ingenieure beschäftigt sind.
Das Team des Zentrums hofft, die Gesetze zu Quantenübergängen in Quantenmotoren und Kühlschränken untersuchen zu können, die eines Tages Computer kühlen oder in Solarmodulen, Bioengineering und anderen Anwendungen verwendet werden könnten.
Die Forscher verstehen bereits viel besser als zuvor, wozu Quantenmotoren in der Lage sind.
Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das ein Quantenarbeitsfluid und zwei Reservoire bei unterschiedlichen Temperaturen (Heizung und Kühler) verwendet, um Arbeit zu extrahieren. Arbeit ist die Übertragung von Energie vom Motor auf einen externen Mechanismus, ohne die Entropie des Mechanismus zu verändern.
Andererseits ist Wärme der Energieaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Reservoir, der die Entropie des Reservoirs verändert. Bei einer schwachen Verbindung zwischen dem Reservoir und dem Arbeitsmedium ist Wärme mit der Temperatur verbunden und kann als dQ = TdS ausgedrückt werden, wobei dS die Änderung der Reservoirentropie ist.
In einer elementaren Quantenwärmekraftmaschine besteht das Arbeitsfluid aus einem Teilchen. Ein solcher Motor erfüllt das zweite Gesetz und ist daher auch durch die Carnot-Wirkungsgradgrenze begrenzt.
Wenn das Arbeitsmedium mit dem Reservoir in Kontakt gebracht wird, ändert sich die Population der Energieniveaus im Arbeitsmedium. Die definierende Eigenschaft des Reservoirs ist seine Fähigkeit, das Arbeitsfluid unabhängig vom Ausgangszustand des Körpers auf eine bestimmte Temperatur zu bringen.
In diesem Fall ist die Temperatur ein Parameter des Quantenzustands des Systems und kein Makroparameter wie in der klassischen Thermodynamik: Wir können von Temperatur als der Population von Energieniveaus sprechen.
Während des Energieaustauschs mit dem Reservoir tauscht der Körper auch Entropie aus, daher wird der Energieaustausch in diesem Stadium als Wärmeübertragung betrachtet.
Betrachten Sie zum Beispiel den Quanten-Otto-Zyklus, in dem ein zweistufiges System als Arbeitsmedium fungiert. In einem solchen System gibt es zwei Energieniveaus, von denen jedes besiedelt werden kann; Die Energie des Bodenniveaus sei E 1 und das angeregte Niveau E 2. Der Otto-Zyklus besteht aus 4 Stufen:
I. Der Abstand zwischen den Pegeln E 1 und E 2 nimmt zu und wird zu Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Es besteht Kontakt mit der Heizung, das System erwärmt sich, dh das obere Energieniveau wird gefüllt und die Entropie des Arbeitsmediums ändert sich. Diese Wechselwirkung dauert Zeit τ 1.
III. Es gibt eine Komprimierung zwischen den Ebenen E 1 und E 2, dh es wird am System gearbeitet, jetzt betragen die Abstände zwischen den Ebenen Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Der Körper wird für eine Zeit τ 2 mit dem Kühlschrank in Kontakt gebracht, was ihm die Möglichkeit gibt, sich zu entspannen und die obere Ebene zu entleeren. Die untere Ebene ist jetzt vollständig gefüllt.
Hier können wir nichts über die Temperatur des Arbeitsmediums sagen, nur die Temperaturen der Heizung und des Kühlschranks sind von Bedeutung. Die perfekte Arbeit kann geschrieben werden als:
dW = (p 0 (& tgr; 1) - p 1 (& tgr; 2)) (& Dgr; 1 - & Dgr; 2), (1)
Dabei ist p 0 (1) die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Arbeitsfluid im Grundzustand (angeregt) befand. Der Wirkungsgrad dieses Quanten-Viertaktmotors beträgt η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto-Zyklus auf einem Quanten-Zwei-Ebenen-System.
Zum Beispiel ist es möglich, einen Quantenmotor zu bauen, in dem ein supraleitendes Qubit die Rolle eines Arbeitsfluids spielt und zwei normale Widerstände mit unterschiedlichen Widerständen als Heizung und Kühlschrank verwendet werden.
Diese Widerstände erzeugen Geräusche mit einer charakteristischen Temperatur: große Geräuschheizung, kleiner Kühlschrank.
Der korrekte Betrieb eines solchen Motors wurde in der Arbeit von Wissenschaftlern der Aalto-Universität in Finnland gezeigt.
Bei der Implementierung des Otto-Zyklus kann die Differenz zwischen den Energieniveaus mit einem konstanten Magnetfluss moduliert werden, dh die Niveaus "quetschen" oder "erweitern", und das Einschalten der Wechselwirkung mit den Reservoirs wurde hervorragend durch kurze Mikrowellensignale erhalten.
Im Jahr 2015 berechneten Wissenschaftler der Hebräischen Universität von Jerusalem, dass solche Quantenmotoren die klassischen Gegenstücke übertreffen könnten.
Diese probabilistischen Motoren folgen immer noch der Carnot-Formel für Effizienz in Bezug darauf, wie viel Arbeit sie aus der Energie gewinnen können, die zwischen heißen und kalten Körpern fließt. Sie können die Arbeit jedoch viel schneller abrufen.
Ein Einzelionenmotor wurde 2016 experimentell demonstriert und vorgestellt, obwohl er keine Quanteneffekte zur Leistungsverstärkung verwendete.
Kürzlich wurde eine Quantenwärmekraftmaschine auf der Basis von Kernspinresonanz gebaut, deren Wirkungsgrad dem idealen ηCarnot sehr nahe kam.
Quantenwärmekraftmaschinen können auch verwendet werden, um sowohl große als auch mikroskopische Systeme wie Qubits in einem Quantencomputer zu kühlen.
Das Abkühlen eines Mikrosystems bedeutet, die Populationen auf angeregten Niveaus zu verringern und die Entropie zu verringern. Dies kann durch dieselben thermodynamischen Zyklen erfolgen, an denen Heizung und Kühlschrank beteiligt sind, jedoch in die entgegengesetzte Richtung laufen.
Im März 2017 wurde ein Artikel veröffentlicht, in dem unter Verwendung der Quanteninformationstheorie der dritte Hauptsatz der Thermodynamik abgeleitet wurde - eine Aussage über die Unmöglichkeit, die absolute Nulltemperatur zu erreichen.
Die Autoren des Artikels zeigten, dass die Begrenzung der Abkühlrate, die das Erreichen des absoluten Nullpunkts verhindert, aus der Begrenzung resultiert, wie schnell Informationen aus Partikeln in einem Objekt endlicher Größe abgepumpt werden können.
Die Geschwindigkeitsbegrenzung hat viel mit der Kühlleistung von Quantenkühlschränken zu tun.
Die Zukunft der Quantenmotoren
Bald werden wir die Blütezeit der Quantentechnologien erleben, und dann können Quantenwärmekraftmaschinen viel helfen.
Es funktioniert nicht, einen Küchenkühlschrank zum Kühlen von Mikrosystemen zu verwenden, da dieser unregelmäßig funktioniert - im Durchschnitt ist die Temperatur darin niedrig, aber lokal kann er unannehmbare Werte erreichen.
Aufgrund der engen Verbindung der Quantenthermodynamik mit Informationen können wir unser Wissen (Information) nutzen, um lokale Arbeiten auszuführen - zum Beispiel um den Quantendämon Maxwell mithilfe von Mehrebenensystemen zu implementieren, um Qubits in einem Quantencomputer zu kühlen (zu reinigen).
Was Quantenmotoren in größerem Maßstab betrifft, ist es noch zu früh zu argumentieren, dass ein solcher Motor einen Verbrennungsmotor ersetzen wird. Bisher haben Einatommotoren einen zu geringen Wirkungsgrad.
Es ist jedoch intuitiv klar, dass wir bei Verwendung eines makroskopischen Systems mit vielen Freiheitsgraden nur einen kleinen Teil der nützlichen Arbeit extrahieren können, da ein solches System nur im Durchschnitt gesteuert werden kann. Im Konzept der Quantenmotoren wird es möglich, Systeme effizienter zu steuern.
Derzeit gibt es in der Wissenschaft der nanoskaligen Wärmekraftmaschinen viele theoretische und technische Fragen. Beispielsweise sind Quantenfluktuationen ein großes Problem, das "Quantenreibung" erzeugen, zusätzliche Entropie einführen und den Wirkungsgrad des Motors verringern kann.
Physiker und Ingenieure arbeiten derzeit aktiv an der optimalen Steuerung des Quantenarbeitsfluids und der Schaffung eines Nanokühlers und eines Nanokühlers. Früher oder später wird uns die Quantenphysik helfen, eine neue Klasse nützlicher Geräte zu schaffen.
Mikhail Perelstein
