Le persone hanno imparato a costruire motori a combustione interna molto potenti, ma non hanno imparato la cosa principale: un aumento significativo della loro efficienza. Il limite su questo percorso è posto dalla seconda legge della termodinamica, che afferma che l'entropia di un sistema aumenta inevitabilmente. Ma è possibile superare questo limite con l'aiuto della fisica quantistica? Si è scoperto che è possibile, ma per questo è stato necessario capire che l'entropia è soggettiva e che il calore e il lavoro sono lontani dalle uniche forme possibili di energia. Per ulteriori informazioni su cosa sono i motori quantistici, come sono disposti e di cosa sono capaci, leggi il nostro materiale.
Oltre 300 anni di sviluppo della tecnologia per il calcolo, la progettazione e la progettazione di motori, il problema di creare una macchina con un fattore di alta efficienza non è stato risolto, sebbene sia fondamentale per molti settori della scienza e della tecnologia.
La fisica quantistica, scoperta all'inizio del XX secolo, ci ha già regalato molte sorprese nel mondo della tecnologia: teoria atomica, semiconduttori, laser e, infine, computer quantistici. Queste scoperte si basano sulle proprietà insolite delle particelle subatomiche, vale a dire sulle correlazioni quantistiche tra di loro - un modo puramente quantistico di scambiare informazioni.
E sembra che la fisica quantistica sia pronta a sorprenderci di nuovo: anni di sviluppo della termodinamica quantistica hanno permesso ai fisici di dimostrare che i motori termici quantistici possono avere un'elevata efficienza su piccola scala, inaccessibile alle macchine classiche.
Diamo un'occhiata a cos'è la termodinamica quantistica, come funzionano i motori termici, quali miglioramenti offre la fisica quantistica e cosa deve essere fatto per creare un motore efficiente del futuro.
Motori termici classici
Nel suo libro del 1824, Riflessioni sulla forza motrice del fuoco, l'ingegnere francese di 28 anni Sadi Carnot ha capito come i motori a vapore possono convertire in modo efficiente il calore in lavoro che fa muovere un pistone o una ruota.
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Con sorpresa di Carnot, l'efficienza di un motore ideale dipendeva solo dalla differenza di temperatura tra la fonte di calore del motore (un riscaldatore, di solito un fuoco) e un dissipatore di calore (un frigorifero, di solito l'aria ambiente).
Carnot si rese conto che il lavoro è un sottoprodotto della transizione naturale del calore da un corpo caldo a uno freddo.
Lo schema di lavoro del motore termico.
Nei motori termici, viene utilizzato il seguente ciclo. Il calore Q 1 viene fornito dal riscaldatore con temperatura t 1 al fluido di lavoro, parte del calore Q 2 viene trasferito al frigorifero con temperatura t 2, t 1> t 2.
Il lavoro svolto dal motore termico è pari alla differenza tra il calore fornito e quello prelevato: A = Q 1 - Q 2, e l'efficienza η sarà uguale a η = A / Q 1.
Carnot ha dimostrato che l'efficienza di qualsiasi motore termico non può superare l'efficienza di un motore termico ideale funzionante nel suo ciclo con le stesse temperature del riscaldatore e del frigorifero ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. La creazione di un motore termico efficiente è la massima approssimazione del reale Efficienza da η a ηCarnot ideale.
Sadi Carnot morì di colera otto anni dopo - prima che potesse vedere come, già nel XIX secolo, la sua formula per l'efficienza si trasformasse nella teoria della termodinamica classica - un insieme di leggi universali che collegano temperatura, calore, lavoro, energia ed entropia.
La termodinamica classica descrive le proprietà statistiche dei sistemi riducendo i microparametri, come le posizioni e le velocità delle particelle, a macroparametri: temperatura, pressione e volume. Le leggi della termodinamica si sono rivelate applicabili non solo ai motori a vapore, ma anche al Sole, ai buchi neri, agli esseri viventi e all'intero Universo.
Questa teoria è così semplice e generale che Albert Einstein credeva che "non sarà mai rovesciata". Tuttavia, fin dall'inizio, la termodinamica ha occupato una posizione estremamente strana tra le altre teorie dell'universo.
"Se le teorie fisiche fossero umane, la termodinamica sarebbe una strega del villaggio", ha scritto la fisica Lydia del Rio alcuni anni fa. "Altre teorie la trovano strana, diversa dalle altre, ma tutti vengono da lei per un consiglio e nessuno osa contraddirla."
La termodinamica non ha mai affermato di essere un metodo universale per analizzare il mondo che ci circonda; piuttosto, è un modo per utilizzare efficacemente questo mondo.
La termodinamica ci dice come sfruttare al meglio risorse come il gas caldo o il metallo magnetizzato per raggiungere obiettivi specifici, sia che si tratti di spostare un treno o di formattare un disco rigido.
La sua versatilità deriva dal fatto che non cerca di comprendere i dettagli microscopici dei singoli sistemi, ma si preoccupa solo di determinare quali operazioni sono facili da implementare in questi sistemi e quali sono difficili.
Questo approccio può sembrare strano agli scienziati, ma è utilizzato attivamente in fisica, informatica, economia, matematica e molti altri luoghi.
Una delle caratteristiche più strane di una teoria è la soggettività delle sue regole. Ad esempio, un gas costituito in media da particelle con la stessa temperatura presenta differenze di temperatura microscopiche a un esame più attento.
Negli ultimi anni è emersa una comprensione rivoluzionaria della termodinamica, che spiega questa soggettività attraverso la teoria dell'informazione quantistica, che descrive la propagazione delle informazioni attraverso i sistemi quantistici.
Proprio come la termodinamica originariamente è nata dai tentativi di migliorare i motori a vapore, la moderna termodinamica descrive il funzionamento di macchine già quantistiche - nanoparticelle controllate.
Per una corretta descrizione, siamo costretti ad estendere la termodinamica alla regione quantistica, dove concetti come temperatura e lavoro perdono il loro significato abituale e le leggi classiche della meccanica cessano di funzionare.
Termodinamica quantistica
La nascita della termodinamica quantistica
In una lettera del 1867 al suo collega scozzese Peter Tate, il famoso fisico James Clark Maxwell formulò il famoso paradosso, accennando alla connessione tra termodinamica e informazione.
Il paradosso riguardava la seconda legge della termodinamica: la regola secondo cui l'entropia aumenta sempre. Come notò in seguito Sir Arthur Eddington, questa regola "occupa una posizione dominante tra le leggi della natura".
Secondo la seconda legge l'energia diventa più disordinata e meno utile mano a mano che si sposta dai corpi caldi a quelli freddi e le differenze di temperatura diminuiscono.
E come ricordiamo dalla scoperta di Carnot, un corpo caldo e freddo è necessario per svolgere un lavoro utile. I fuochi si spengono, le tazzine di caffè del mattino si raffreddano e l'universo precipita verso uno stato di temperatura uniforme noto come la morte termica dell'universo.
Il grande fisico austriaco Ludwig Boltzmann ha dimostrato che l'aumento dell'entropia è una conseguenza delle leggi della statistica matematica ordinaria: ci sono molti più modi per distribuire uniformemente l'energia tra le particelle che per la sua concentrazione locale. Quando le particelle si muovono, tendono naturalmente a stati di entropia più elevati.
Ma la lettera di Maxwell descriveva un esperimento mentale in cui un certo essere illuminato - in seguito chiamato il demone di Maxwell - usa la sua conoscenza per ridurre l'entropia e violare la seconda legge.
Il demone onnipotente conosce la posizione e la velocità di ogni molecola in un contenitore di gas. Dividendo il contenitore in due metà e aprendo e chiudendo la piccola porta tra le due camere, il demone lascia solo molecole veloci in una direzione e solo quelle lente nell'altra.
Le azioni del demone dividono il gas in caldo e freddo, concentrando la sua energia e riducendo l'entropia totale. Un gas una volta inutile con una certa temperatura media può ora essere utilizzato in un motore termico.
Per molti anni Maxwell e altri si sono chiesti come la legge della natura potesse dipendere dalla conoscenza o meno della posizione e della velocità delle molecole. Se la seconda legge della termodinamica dipende soggettivamente da questa informazione, allora come può essere verità assoluta?
Relazione tra termodinamica e informazione
Un secolo dopo, il fisico americano Charles Bennett, attingendo al lavoro di Leo Szilard e Rolf Landauer, risolse il paradosso collegando formalmente la termodinamica alla scienza dell'informazione. Bennett ha sostenuto che la conoscenza del demone è immagazzinata nella sua memoria e la memoria deve essere cancellata, il che richiede lavoro.
Nel 1961, Landauer calcolò che a temperatura ambiente, un computer necessita di almeno 2,9 x 10-21 joule per cancellare un bit delle informazioni memorizzate. In altre parole, quando un demone separa le molecole calde e fredde, riducendo l'entropia del gas, la sua coscienza consuma energia e l'entropia totale del sistema gas + demone aumenta senza violare la seconda legge della termodinamica.
La ricerca ha dimostrato che l'informazione è una quantità fisica: più informazioni hai, più lavoro puoi estrarre. Il demone di Maxwell crea lavoro dal gas a una temperatura, perché ha molte più informazioni di un normale osservatore.
Ci sono voluti un altro mezzo secolo e l'apice della teoria dell'informazione quantistica, un campo nato dalla ricerca del computer quantistico, perché i fisici studiassero in dettaglio le sorprendenti implicazioni dell'idea di Bennett.
Negli ultimi dieci anni, i fisici hanno ipotizzato che l'energia viaggi da oggetti caldi a oggetti freddi a causa di un certo modo di propagare le informazioni tra le particelle.
Secondo la teoria quantistica, le proprietà fisiche delle particelle sono probabilistiche e le particelle possono trovarsi in una sovrapposizione di stati. Quando interagiscono, si intrecciano combinando insieme le distribuzioni di probabilità che descrivono i loro stati.
La posizione centrale della teoria quantistica è l'affermazione che l'informazione non va mai persa, cioè, lo stato presente dell'Universo conserva tutte le informazioni sul passato. Tuttavia, nel tempo, mentre le particelle interagiscono e diventano sempre più entangled, le informazioni sui loro stati individuali vengono mescolate e distribuite tra un numero sempre maggiore di particelle.
La tazza di caffè si raffredda a temperatura ambiente perché quando le molecole di caffè si scontrano con le molecole d'aria, le informazioni che codificano per l'energia del caffè fuoriescono, vengono trasmesse all'aria circostante e si perdono in essa.
Tuttavia, la comprensione dell'entropia come misura soggettiva consente all'Universo nel suo insieme di svilupparsi senza perdita di informazioni. Anche quando l'entropia di parti dell'Universo, ad esempio particelle di gas, caffè, lettori N + 1, cresce man mano che le loro informazioni quantistiche si perdono nell'Universo, l'entropia globale dell'Universo rimane sempre zero.
Motori termici quantistici
Come, ora, utilizzando una più profonda comprensione della termodinamica quantistica, per costruire un motore termico?
Nel 2012 è stato istituito il Centro europeo di ricerca tecnologica per la termodinamica quantistica e attualmente impiega oltre 300 scienziati e ingegneri.
Il team del centro spera di indagare sulle leggi che governano le transizioni quantistiche nei motori quantistici e nei frigoriferi che un giorno potrebbero raffreddare i computer o essere utilizzati nei pannelli solari, nella bioingegneria e in altre applicazioni.
I ricercatori capiscono già molto meglio di prima di cosa sono capaci i motori quantistici.
Un motore termico è un dispositivo che utilizza un fluido di lavoro quantistico e due serbatoi a temperature diverse (riscaldatore e refrigeratore) per estrarre il lavoro. Il lavoro è il trasferimento di energia dal motore a qualche meccanismo esterno senza modificare l'entropia del meccanismo.
D'altra parte, il calore è lo scambio di energia tra il fluido di lavoro e il serbatoio, che cambia l'entropia del serbatoio. Con una connessione debole tra il serbatoio e il fluido di lavoro, il calore è correlato alla temperatura e può essere espresso come dQ = TdS, dove dS è la variazione dell'entropia del serbatoio.
In un motore termico quantistico elementare, il fluido di lavoro è costituito da una particella. Un tale motore soddisfa la seconda legge ed è quindi limitato anche dal limite di efficienza di Carnot.
Quando il mezzo di lavoro viene portato a contatto con il serbatoio, la popolazione dei livelli di energia cambia nel mezzo di lavoro. La proprietà che definisce il serbatoio è la sua capacità di portare il fluido di lavoro a una data temperatura, indipendentemente dallo stato iniziale del corpo.
In questo caso, la temperatura è un parametro dello stato quantistico del sistema, e non un macroparametro, come nella termodinamica classica: possiamo parlare di temperatura come popolazione di livelli di energia.
Nel processo di scambio di energia con il serbatoio, il corpo scambia anche entropia; pertanto, lo scambio di energia in questa fase è considerato come trasferimento di calore.
Ad esempio, si consideri il ciclo Otto quantistico, in cui un sistema a due livelli agirà come un fluido di lavoro. In un tale sistema, ci sono due livelli di energia, ciascuno dei quali può essere popolato; sia l'energia del livello del suolo E 1 e il livello eccitato E 2. Il ciclo Otto consiste di 4 fasi:
I. La distanza tra i livelli E 1 ed E 2 aumenta e diventa Δ 1 = E 1 - E 2.
II. C'è contatto con il riscaldatore, il sistema si riscalda, cioè il livello di energia superiore viene popolato e l'entropia del fluido di lavoro cambia. Questa interazione dura il tempo τ 1.
III. C'è una compressione tra i livelli E 1 ed E 2, cioè c'è lavoro sul sistema, ora le distanze tra i livelli sono Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Il corpo viene portato a contatto con il frigorifero per un tempo τ 2, che gli dà la possibilità di rilassarsi, di svuotare il livello superiore. Il livello inferiore è ora completamente popolato.
Qui non possiamo dire nulla sulla temperatura del fluido di lavoro, solo le temperature del riscaldatore e del frigorifero sono importanti. L'opera perfetta può essere scritta come:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
dove p 0 (1) è la probabilità che il fluido di lavoro fosse nello stato fondamentale (eccitato). L'efficienza di questo motore quantistico a quattro tempi è η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ciclo Otto su un sistema quantistico a due livelli.
Ad esempio, è possibile costruire un motore quantistico in cui un qubit superconduttore svolge il ruolo di fluido di lavoro e due normali resistori con resistenze diverse vengono utilizzati come riscaldatore e frigorifero.
Queste resistenze generano un rumore che ha una temperatura caratteristica: grande rumore - riscaldatore, piccolo - frigorifero.
Il corretto funzionamento di un tale motore è stato dimostrato nel lavoro di scienziati dell'Università di Aalto in Finlandia.
Nell'implementazione del ciclo Otto, la differenza tra i livelli di energia può essere modulata con un flusso magnetico costante, cioè "spremere" o "espandere" i livelli, e l'accensione dell'interazione con i serbatoi è stata ottimamente ottenuta da brevi segnali a microonde.
Nel 2015, gli scienziati dell'Università ebraica di Gerusalemme hanno calcolato che tali motori quantistici potrebbero superare le controparti classiche.
Questi motori probabilistici seguono ancora la formula di Carnot per l'efficienza in termini di quanto lavoro possono estrarre dall'energia che passa tra i corpi caldi e freddi. Ma sono in grado di recuperare il lavoro molto più velocemente.
Un motore a ione singolo è stato dimostrato e presentato sperimentalmente nel 2016, sebbene non abbia utilizzato effetti quantistici per amplificare la potenza.
Recentemente, è stato costruito un motore termico quantistico basato sulla risonanza magnetica nucleare, la cui efficienza era molto vicina al ηCarnot ideale.
I motori termici quantistici possono anche essere utilizzati per raffreddare sistemi sia grandi che microscopici, come i qubit in un computer quantistico.
Raffreddare un microsistema significa diminuire le popolazioni a livelli eccitati e diminuire l'entropia. Questo può essere fatto attraverso gli stessi cicli termodinamici che coinvolgono il riscaldatore e il frigorifero, ma procedendo nella direzione opposta.
Nel marzo 2017 è stato pubblicato un articolo in cui, utilizzando la teoria dell'informazione quantistica, è stata derivata la terza legge della termodinamica: un'affermazione sull'impossibilità di raggiungere la temperatura zero assoluto.
Gli autori dell'articolo hanno dimostrato che la limitazione della velocità di raffreddamento, che impedisce il raggiungimento dello zero assoluto, deriva dalla limitazione della velocità con cui le informazioni possono essere pompate fuori dalle particelle in un oggetto di dimensione finita.
Il limite di velocità ha molto a che fare con le capacità di raffreddamento dei frigoriferi quantistici.
Il futuro dei motori quantistici
Presto vedremo il periodo di massimo splendore delle tecnologie quantistiche, e quindi i motori termici quantistici possono aiutare molto.
Non funzionerà utilizzare un frigorifero da cucina per raffreddare i microsistemi a causa del suo funzionamento irregolare: in media, la temperatura al suo interno è bassa, ma localmente può raggiungere valori inaccettabili.
A causa della stretta connessione della termodinamica quantistica con le informazioni, siamo in grado di utilizzare la nostra conoscenza (informazione) per eseguire lavori locali, ad esempio per implementare il demone quantistico Maxwell, utilizzando sistemi multilivello, per raffreddare (purificare lo stato) dei qubit in un computer quantistico.
Per quanto riguarda i motori quantistici su scala più ampia, è troppo presto per sostenere che un tale motore sostituirà un motore a combustione interna. Finora, i motori ad atomo singolo hanno un'efficienza troppo bassa.
Tuttavia, è intuitivo chiaro che quando si utilizza un sistema macroscopico con molti gradi di libertà, saremo in grado di estrarre solo una piccola parte del lavoro utile, perché un tale sistema può essere controllato solo in media. Nel concetto di motori quantistici, diventa possibile controllare i sistemi in modo più efficiente.
Al momento, ci sono molti problemi teorici e ingegneristici nella scienza dei motori termici su nanoscala. Ad esempio, le fluttuazioni quantistiche sono un grosso problema, che può creare "attrito quantistico", introducendo entropia extra e riducendo l'efficienza del motore.
Fisici e ingegneri stanno ora lavorando attivamente al controllo ottimale del fluido di lavoro quantistico e alla creazione di un nanoriscaldatore e un nanocooler. Prima o poi, la fisica quantistica ci aiuterà a creare una nuova classe di dispositivi utili.
Mikhail Perelstein
