Mensen hebben geleerd om zeer krachtige verbrandingsmotoren te bouwen, maar ze hebben niet het belangrijkste geleerd: een aanzienlijke toename van hun efficiëntie. De limiet op dit pad wordt bepaald door de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de entropie van een systeem onvermijdelijk toeneemt. Maar kan deze limiet worden overwonnen met behulp van kwantumfysica? Het bleek dat het mogelijk is, maar hiervoor was het noodzakelijk om te begrijpen dat entropie subjectief is, en dat warmte en werk verre van de enige mogelijke vormen van energie zijn. Lees ons materiaal voor meer informatie over wat kwantummotoren zijn, hoe ze zijn gerangschikt en waartoe ze in staat zijn.
Meer dan 300 jaar ontwikkeling van technologie voor het berekenen, ontwerpen en ontwerpen van motoren, het probleem van het maken van een machine met een hoge efficiëntiefactor is nog niet opgelost, hoewel het cruciaal is voor veel gebieden van wetenschap en technologie.
De kwantumfysica, ontdekt aan het begin van de 20e eeuw, heeft ons al veel verrassingen opgeleverd in de wereld van de technologie: atoomtheorie, halfgeleiders, lasers en ten slotte kwantumcomputers. Deze ontdekkingen zijn gebaseerd op de ongebruikelijke eigenschappen van subatomaire deeltjes, namelijk kwantumcorrelaties tussen hen - een puur kwantummanier om informatie uit te wisselen.
En het lijkt erop dat de kwantumfysica klaar is om ons weer te verrassen: door jarenlange ontwikkeling van de kwantumthermodynamica hebben natuurkundigen kunnen aantonen dat kwantumwarmtemotoren een hoog rendement kunnen hebben op kleine schaal, niet toegankelijk voor klassieke machines.
Laten we eens kijken wat kwantumthermodynamica is, hoe warmtemotoren werken, welke verbeteringen de kwantumfysica geeft en wat er moet worden gedaan om een efficiënte motor van de toekomst te creëren.
Klassieke warmtemotoren
In zijn boek uit 1824, Reflections on the Motive Force of Fire, ontdekte de 28-jarige Franse ingenieur Sadi Carnot hoe stoommachines warmte efficiënt kunnen omzetten in werk dat een zuiger doet bewegen of een wiel laat draaien.
Promotie video:
Tot Carnot's verrassing hing de efficiëntie van een ideale motor alleen af van het temperatuurverschil tussen de warmtebron van de motor (een verwarming, meestal een vuur) en een koellichaam (een koelkast, meestal omgevingslucht).
Carnot realiseerde zich dat werk een bijproduct is van de natuurlijke overgang van warmte van een warm naar een koud lichaam.
Werkingsschema van de warmtemotor.
Bij warmtemotoren wordt de volgende cyclus gebruikt. Warmte Q 1 wordt vanuit de verwarmer met temperatuur t 1 aan de werkvloeistof toegevoerd, een deel van de warmte Q 2 wordt afgevoerd naar de koelkast met temperatuur t 2, t 1> t 2.
Het werk van de warmtemotor is gelijk aan het verschil tussen de toegevoerde en afgevoerde warmte: A = Q 1 - Q 2, en het rendement η is gelijk aan η = A / Q 1.
Carnot toonde aan dat de efficiëntie van een warmtemotor niet hoger kan zijn dan de efficiëntie van een ideale warmtemotor die in zijn cyclus werkt met dezelfde temperaturen van de verwarming en de koelkast ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Het creëren van een efficiënte warmtemotor is de maximale benadering van de werkelijkheid Rendement η tot ideaal ηCarnot.
Sadi Carnot stierf acht jaar later aan cholera - voordat hij kon zien hoe zijn formule voor efficiëntie al in de 19e eeuw veranderde in de theorie van de klassieke thermodynamica - een reeks universele wetten die temperatuur, warmte, werk, energie en entropie met elkaar in verband brengen.
Klassieke thermodynamica beschrijft de statistische eigenschappen van systemen door microparameters, zoals de posities en snelheden van deeltjes, te reduceren tot macroparameters: temperatuur, druk en volume. De wetten van de thermodynamica bleken niet alleen van toepassing te zijn op stoommachines, maar ook op de zon, zwarte gaten, levende wezens en het hele universum.
Deze theorie is zo eenvoudig en algemeen dat Albert Einstein geloofde dat ze "nooit omvergeworpen zal worden". Vanaf het allereerste begin nam de thermodynamica echter een buitengewoon vreemde plaats in tussen andere theorieën over het universum.
"Als fysische theorieën menselijk waren, zou thermodynamica een dorpsheks zijn", schreef natuurkundige Lydia del Rio een paar jaar geleden. "Andere theorieën vinden haar vreemd, anders dan de rest, maar iedereen komt bij haar om advies en niemand durft haar tegen te spreken."
Thermodynamica heeft nooit beweerd een universele methode te zijn om de wereld om ons heen te analyseren; het is eerder een manier om deze wereld effectief te gebruiken.
Thermodynamica vertelt ons hoe we het meeste uit bronnen zoals heet gas of gemagnetiseerd metaal kunnen halen om specifieke doelen te bereiken, of het nu gaat om het verplaatsen van een trein of het formatteren van een harde schijf.
Zijn veelzijdigheid komt voort uit het feit dat het niet probeert de microscopisch kleine details van individuele systemen te begrijpen, maar er alleen om geeft te bepalen welke bewerkingen gemakkelijk in deze systemen kunnen worden geïmplementeerd en welke moeilijk zijn.
Deze benadering lijkt misschien vreemd voor wetenschappers, maar wordt actief gebruikt in de natuurkunde, informatica, economie, wiskunde en vele andere plaatsen.
Een van de vreemdste kenmerken van een theorie is de subjectiviteit van haar regels. Een gas dat bijvoorbeeld uit deeltjes met dezelfde temperatuur bestaat, heeft bij nader inzien gemiddeld microscopisch kleine temperatuurverschillen.
In de afgelopen jaren is een revolutionair begrip van thermodynamica ontstaan, dat deze subjectiviteit verklaart door middel van kwantuminformatietheorie, die de voortplanting van informatie door kwantumsystemen beschrijft.
Net zoals de thermodynamica oorspronkelijk voortkwam uit pogingen om stoommachines te verbeteren, beschrijft de moderne thermodynamica de werking van reeds door kwantummachines bestuurde nanodeeltjes.
Voor een juiste beschrijving zijn we gedwongen om de thermodynamica uit te breiden tot het kwantumgebied, waar begrippen als temperatuur en arbeid hun gebruikelijke betekenis verliezen en de klassieke wetten van de mechanica niet meer werken.
Kwantum thermodynamica
De geboorte van kwantumthermodynamica
In een brief uit 1867 aan zijn Schotse collega Peter Tate formuleerde de beroemde natuurkundige James Clark Maxwell de beroemde paradox, verwijzend naar het verband tussen thermodynamica en informatie.
De paradox betrof de tweede wet van de thermodynamica - de regel dat entropie altijd toeneemt. Zoals Sir Arthur Eddington later opmerkte, neemt deze regel 'een dominante positie in onder de natuurwetten'.
Volgens de tweede wet wordt energie meer wanordelijk en minder nuttig naarmate het van warme naar koude lichamen reist en de temperatuurverschillen afnemen.
En zoals we ons herinneren van de ontdekking van Carnot, is een warm en koud lichaam nodig om nuttig werk te doen. De branden gaan uit, de koffiebekers in de ochtend koelen af en het universum snelt naar een staat van uniforme temperatuur die bekend staat als de warmtedood van het universum.
De grote Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann toonde aan dat de toename in entropie een gevolg is van de wetten van gewone wiskundige statistiek: er zijn veel meer manieren om energie gelijkmatig over deeltjes te verdelen dan voor de lokale concentratie. Wanneer deeltjes bewegen, neigen ze van nature tot hogere entropietoestanden.
Maar Maxwells brief beschreef een gedachte-experiment waarin een bepaald verlicht wezen - later Maxwells demon genoemd - zijn kennis gebruikt om entropie te verminderen en de tweede wet te overtreden.
De almachtige demon kent de positie en snelheid van elk molecuul in een container met gas. Door de container in twee helften te verdelen en de kleine deur tussen de twee kamers te openen en te sluiten, laat de demon alleen snelle moleculen in de ene richting en alleen langzame in de andere richting.
De acties van de demon verdelen het gas in warm en koud, concentreren zijn energie en verminderen de totale entropie. Een ooit nutteloos gas met een bepaalde gemiddelde temperatuur kan nu worden gebruikt in een warmtemotor.
Jarenlang vroegen Maxwell en anderen zich af hoe de natuurwet kon afhangen van het al dan niet weten van de positie en snelheid van moleculen. Als de tweede wet van de thermodynamica subjectief afhankelijk is van deze informatie, hoe kan het dan de absolute waarheid zijn?
Relatie van thermodynamica met informatie
Een eeuw later loste de Amerikaanse natuurkundige Charles Bennett, op basis van het werk van Leo Szilard en Rolf Landauer, de paradox op door de thermodynamica formeel te koppelen aan de wetenschap van informatie. Bennett voerde aan dat de kennis van de demon in zijn geheugen is opgeslagen en dat de herinnering moet worden gewist, wat werk vereist.
In 1961 berekende Landauer dat een computer bij kamertemperatuur minimaal 2,9 x 10-21 joule nodig heeft om één bit aan opgeslagen informatie te wissen. Met andere woorden, wanneer een demon warme en koude moleculen scheidt, waardoor de entropie van het gas wordt verminderd, verbruikt zijn bewustzijn energie en neemt de totale entropie van het gas + demon-systeem toe zonder de tweede wet van de thermodynamica te schenden.
Onderzoek heeft aangetoond dat informatie een fysieke grootheid is: hoe meer informatie u heeft, hoe meer werk u eruit kunt halen. Maxwells demon maakt werk van gas bij één temperatuur, omdat hij veel meer informatie heeft dan een gewone waarnemer.
Het duurde nog een halve eeuw en de hoogtijdagen van de kwantuminformatietheorie, een veld dat voortkwam uit de zoektocht naar de kwantumcomputer, voordat natuurkundigen de verrassende implicaties van Bennett's idee in detail bestudeerden.
In het afgelopen decennium hebben natuurkundigen aangenomen dat energie van hete objecten naar koude objecten reist vanwege een bepaalde manier om informatie tussen deeltjes te verspreiden.
Volgens de kwantumtheorie zijn de fysische eigenschappen van deeltjes probabilistisch en kunnen deeltjes zich in een superpositie van toestanden bevinden. Wanneer ze op elkaar inwerken, raken ze verstrikt door de kansverdelingen die hun toestand beschrijven, te combineren.
De centrale positie van de kwantumtheorie is de verklaring dat informatie nooit verloren gaat, dat wil zeggen dat de huidige toestand van het heelal alle informatie over het verleden behoudt. Echter, na verloop van tijd, naarmate de deeltjes op elkaar inwerken en steeds meer verstrengeld raken, wordt informatie over hun individuele toestand gemengd en verdeeld over steeds meer deeltjes.
De kop koffie koelt af tot kamertemperatuur, want wanneer koffiemoleculen in botsing komen met luchtmoleculen, lekt de informatie die codeert voor de koffie-energie weg, wordt deze doorgegeven aan de omringende lucht en gaat daarin verloren.
Door entropie als een subjectieve maatstaf te begrijpen, kan het heelal zich als geheel ontwikkelen zonder verlies van informatie. Zelfs wanneer de entropie van delen van het heelal, bijvoorbeeld gasdeeltjes, koffie, N + 1-lezers, groeit naarmate hun kwantuminformatie verloren gaat in het heelal, blijft de globale entropie van het heelal altijd nul.
Quantum warmtemotoren
Hoe nu, met behulp van een dieper begrip van de kwantumthermodynamica, een warmtemotor bouwen?
In 2012 werd het Technological European Research Centre for Quantum Thermodynamics opgericht, dat momenteel meer dan 300 wetenschappers en ingenieurs in dienst heeft.
Het team van het centrum hoopt de wetten te onderzoeken die kwantumovergangen regelen in kwantummotoren en koelkasten die op een dag computers kunnen koelen of die in zonnepanelen, bio-engineering en andere toepassingen kunnen worden gebruikt.
Onderzoekers begrijpen nu al veel beter dan voorheen waartoe kwantummotoren in staat zijn.
Een warmtemotor is een apparaat dat een kwantumwerkvloeistof en twee reservoirs met verschillende temperaturen (verwarming en koeler) gebruikt om werk te extraheren. Werk is de overdracht van energie van de motor naar een extern mechanisme zonder de entropie van het mechanisme te veranderen.
Aan de andere kant is warmte de uitwisseling van energie tussen de werkvloeistof en het reservoir, waardoor de entropie van het reservoir verandert. Bij een zwakke verbinding tussen het reservoir en de werkvloeistof wordt warmte geassocieerd met temperatuur en kan deze worden uitgedrukt als dQ = TdS, waarbij dS de verandering in de entropie van het reservoir is.
In een elementaire kwantumwarmtemotor bestaat de werkvloeistof uit één deeltje. Zo'n motor voldoet aan de tweede wet en wordt daarom ook beperkt door de Carnot-efficiëntielimiet.
Wanneer het werkmedium in contact wordt gebracht met het reservoir, verandert de populatie van de energieniveaus in het werkmedium. De bepalende eigenschap van het reservoir is zijn vermogen om de werkvloeistof op een bepaalde temperatuur te brengen, ongeacht de begintoestand van het lichaam.
In dit geval is temperatuur een parameter van de kwantumtoestand van het systeem, en niet een macroparameter, zoals in de klassieke thermodynamica: we kunnen van temperatuur spreken als de populatie van energieniveaus.
Tijdens het proces van energie-uitwisseling met het reservoir wisselt het lichaam ook entropie uit; daarom wordt energie-uitwisseling in dit stadium beschouwd als warmteoverdracht.
Beschouw bijvoorbeeld de kwantum Otto-cyclus, waarin een systeem met twee niveaus als werkvloeistof zal werken. In zo'n systeem zijn er twee energieniveaus, die elk kunnen worden gevuld; laat de energie van het maaiveld E 1 zijn, en het aangeslagen niveau E 2. De Otto-cyclus bestaat uit 4 fasen:
I. De afstand tussen de niveaus E 1 en E 2 wordt groter en wordt Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Er is contact met de verwarmer, het systeem warmt op, dat wil zeggen, het bovenste energieniveau wordt gevuld en de entropie van de werkvloeistof verandert. Deze interactie duurt τ 1.
III. Er is een compressie tussen de niveaus E 1 en E 2, dat wil zeggen, er wordt aan het systeem gewerkt, nu zijn de afstanden tussen de niveaus Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Het lichaam wordt gedurende een tijd τ 2 in contact gebracht met de koelkast, waardoor het de gelegenheid krijgt om te ontspannen, om de bovenste verdieping leeg te maken. Het lagere niveau is nu volledig bevolkt.
Hier kunnen we niets zeggen over de temperatuur van de werkvloeistof, alleen de temperaturen van de verwarming en de koelkast zijn van belang. Het perfecte werk kan worden geschreven als:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
waarbij p 0 (1) de kans is dat de werkvloeistof in de grond (aangeslagen) toestand was. Het rendement van deze kwantum-viertaktmotor is η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto fietst op een kwantumsysteem met twee niveaus.
Zo is het mogelijk om een kwantummotor te bouwen waarin een supergeleidende qubit de rol van werkvloeistof speelt en twee normale weerstanden met verschillende weerstanden worden gebruikt als verwarming en koelkast.
Deze weerstanden genereren geluid met een karakteristieke temperatuur: groot geluid - verwarming, klein - koelkast.
De juiste werking van een dergelijke motor werd aangetoond in het werk van wetenschappers van de Aalto Universiteit in Finland.
Bij de implementatie van de Otto-cyclus kan het verschil tussen de energieniveaus worden gemoduleerd met een constante magnetische flux, dat wil zeggen "squeeze" of "expand" de niveaus, en het inschakelen van de interactie met de reservoirs werd uitstekend verkregen door korte microgolfsignalen.
In 2015 berekenden wetenschappers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem dat dergelijke kwantummotoren beter zouden kunnen presteren dan klassieke tegenhangers.
Deze probabilistische motoren volgen nog steeds de Carnot-formule voor efficiëntie in termen van hoeveel werk ze kunnen halen uit de energie die tussen warme en koude lichamen stroomt. Maar ze kunnen werk veel sneller ophalen.
Een motor met één ion werd experimenteel gedemonstreerd en gepresenteerd in 2016, hoewel deze geen kwantumeffecten gebruikte om het vermogen te versterken.
Onlangs werd een kwantumwarmtemotor gebouwd op basis van nucleaire magnetische resonantie, waarvan de efficiëntie zeer dicht bij de ideale ηCarnot lag.
Quantum-warmtemotoren kunnen ook worden gebruikt om zowel grote als microscopische systemen te koelen, zoals qubits in een kwantumcomputer.
Het koelen van een microsysteem betekent afnemende populaties op aangeslagen niveaus en afnemende entropie. Dit kan worden gedaan door middel van dezelfde thermodynamische cycli waarbij de verwarming en de koelkast betrokken zijn, maar in tegengestelde richting.
In maart 2017 verscheen een artikel waarin met behulp van kwantuminformatietheorie de derde wet van de thermodynamica werd afgeleid - een uitspraak over de onmogelijkheid om het absolute nulpunt te bereiken.
De auteurs van het artikel toonden aan dat de beperking van de afkoelsnelheid, die het bereiken van het absolute nulpunt verhindert, voortkomt uit de beperking van hoe snel informatie uit deeltjes kan worden gepompt in een object van eindige grootte.
De snelheidslimiet heeft veel te maken met de koelmogelijkheden van kwantumkoelkasten.
De toekomst van kwantummotoren
Binnenkort zullen we de hoogtijdagen van kwantumtechnologieën zien, en dan kunnen kwantumwarmtemotoren veel helpen.
Het zal niet werken om een keukenkoelkast te gebruiken om microsystemen te koelen vanwege de grillige werking ervan - gemiddeld is de temperatuur erin laag, maar lokaal kan deze onaanvaardbare waarden bereiken.
Doordat kwantumthermodynamica nauw verband houdt met informatie, kunnen we onze kennis (informatie) gebruiken om lokaal werk uit te voeren - bijvoorbeeld om de kwantumdemon Maxwell te implementeren met behulp van multilevel-systemen om qubits in een kwantumcomputer te koelen (zuiveren van de toestand).
Wat betreft kwantummotoren op grotere schaal: het is te vroeg om te beweren dat een dergelijke motor een verbrandingsmotor zal vervangen. Tot dusverre hebben motoren met één atoom een te laag rendement.
Het is echter intuïtief duidelijk dat wanneer we een macroscopisch systeem met veel vrijheidsgraden gebruiken, we slechts een klein deel van het nuttige werk kunnen extraheren, omdat een dergelijk systeem slechts gemiddeld kan worden bestuurd. In het concept van kwantummotoren wordt het mogelijk om systemen efficiënter te besturen.
Op dit moment zijn er veel theoretische en technische kwesties in de wetenschap van warmtemotoren op nanoschaal. Kwantumfluctuaties zijn bijvoorbeeld een groot probleem, die "kwantumfrictie" kunnen veroorzaken, extra entropie introduceren en de efficiëntie van de motor verminderen.
Natuurkundigen en ingenieurs werken nu actief aan een optimale beheersing van de kwantumwerkvloeistof en het creëren van een nanheater en nanokoeler. Vroeg of laat zal de kwantumfysica ons helpen een nieuwe klasse van nuttige apparaten te creëren.
Mikhail Perelstein
