Пример работы теплового двигателя

Согласно новым исследованиям университетского колледжа Лондона и университета города Гданьск наше нынешнее понимание термодинамики в корне неверно применительно к малым системам, и поэтому должно быть пересмотрено. Ученые работали в быстро развивающейся области квантовой термодинамики.

Исследование может широко применяться в небольших системах, от наноразмерных двигателей и квантовых технологий до биологических двигателей и систем в организме человека.

Законы термодинамики регулируют большую часть мира вокруг нас — к примеру они говорят нам, что чашка горячего чая в холодном помещении остынет, а не нагреется. Так же термодинамика определяет, насколько эффективными могут быть тепловые двигатели.

Нынешние законы термодинамики применимы только для макрообъектов, когда в системе участвует множество частиц. К сожалению, для микромира законы термодинамики изучены слабо, а ведь эта область знаний просто необходима для строительства молекулярных моторов и квантовых компьютеров, и даже может определить эффективность извлечения энергии в процессе фотосинтеза.

В новом исследовании ученые использовали результаты квантовой теории информации и адаптировали законы термодинамики для малых систем, таких, какие были перечислены выше.

Основное различие макро- и микромира в наличии квантовых эффектов. Исследователи обнаружили набор законов, которые определяют, что происходит в таких микроскопических системах,когда мы нагреваем или охлаждаем их. Важным следствием этих законов стало то, что микроскопические тепловые двигатели не могут быть столь же эффективны как их более крупные собратья.

Профессор Оппенгейм (Oppenheim), научный сотрудник отдела физики и астрономии Лондонского университета, один из авторов исследования:

Мы видим, что природа накладывает определенные ограничения для извлечения энергии из микроскопических систем и тепловых двигателей. Квантовый тепловой двигатель не столь эффективен, как обычный, и никогда не приблизится к его показателям. Ограничения обусловлены как размерами, так и квантовыми эффектами.

Ученые исследовали эффективность микроскопических тепловых двигателей и обнаружили, что одна из основных величин в области термодинамики, свободная энергия, не определяет, что может случиться в небольших, особенно квантово-механических, системах. Вместо нее поведением этих систем управляет несколько новых свободных энергий.

В больших системах, если вы поместите чистую энергию в систему, то вы сможете вернуть всю эту энергию обратно, чтобы использовать для питания двигателя, который может выполнять работу (например, поднимать тяжелый вес). Но не в случае квантовых систем. Здесь, если вы введете работу в систему, вы не получите назад всю энергию.

Профессор Михаил Городецкий (Michal Horodecki), соавтор работы:

В больших системах все термодинамические процессы можно сделать обратимыми, если приложить достаточно усилий и делать все достаточно медленно. В термодинамике на микроскопическом уровне процессы принципиально необратимы.

.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Комментарии:

Добавить комментарий

Введите свой Email для подписки на новости:

Twitter RSS


Наши официальные информационные партнеры:

Госкорпорация "Ростех"
Ростех

ОАО "Концерн «Созвездие"
ОАО «Концерн «Созвездие»