Два физика из Штутгартского университета доказали, что принцип Карно, центральный закон термодинамики, не применим к объектам атомного масштаба, чьи физические свойства связаны (так называемые коррелированные объекты). Это открытие может способствовать развитию крошечных энергоэффективных квантовых моторов. Вывод был опубликован в журнале Science Advances.
Тепловые двигатели и принцип Карно
Тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, преобразуют тепловую энергию в механическое движение. В последние годы в ходе квантово-механических экспериментов удалось уменьшить размеры тепловых двигателей до микроскопического уровня.
Профессор Эрик Лутц из Института теоретической физики I Штутгартского университета говорит: «Крошечные моторы размером не больше одного атома могут стать реальностью в будущем. Теперь очевидно, что эти двигатели могут достичь более высокой максимальной эффективности, чем более крупные тепловые двигатели».
Преодоление ограничений второго закона термодинамики
Профессор Лутц и доктор Милтон Агилар, постдокторский исследователь в Институте теоретической физики I, объясняют причины этого в своей статье. Почти ровно 200 лет назад французский физик Сади Карно определил максимальную эффективность тепловых двигателей. Принцип Карно, второй закон термодинамики, был разработан для больших макроскопических объектов, таких как паровые турбины. Однако теперь мы доказали, что принцип Карно необходимо расширить для описания объектов атомного масштаба, например, сильно коррелированных молекулярных моторов.
Карно показал, что разница температур имеет решающее значение: чем больше разница между горячим и холодным, тем выше максимально возможная эффективность теплового двигателя. Однако принцип Карно не учитывает влияние так называемых квантовых корреляций — особых связей, которые формируются между частицами на очень маленьком уровне.
Впервые мы вывели обобщённые законы термодинамики, которые полностью учитывают эти корреляции. Наши результаты показывают, что тепловые машины, работающие в атомном масштабе, могут преобразовывать не только тепло, но и корреляции в работу. В результате они могут производить больше работы, а эффективность квантового двигателя может превышать традиционный предел Карно.
Наша работа углубляет понимание мира на атомном уровне. Чем лучше мы понимаем физические законы, действующие в этих измерениях, тем скорее сможем использовать их для разработки технологий будущего — таких как крошечные высокоэффективные квантовые моторы, которые могут точно выполнять задачи на наноуровне. Возможно, однажды такие моторы будут приводить в действие медицинские наноботы или управлять машинами, которые обрабатывают материалы на атомном уровне? Потенциал огромен.
Предоставлено Штутгартским университетом.