Las personas han aprendido a construir motores de combustión interna muy potentes, pero no han aprendido lo principal: aumentar significativamente su eficiencia. El límite de este camino lo establece la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aumenta inevitablemente. Pero, ¿es posible superar este límite con la ayuda de la física cuántica? Resultó que es posible, pero para ello era necesario comprender que la entropía es subjetiva, y que el calor y el trabajo están lejos de ser las únicas formas posibles de energía. Para obtener más información sobre qué son los motores cuánticos, cómo están organizados y de qué son capaces, lea nuestro material.
Más de 300 años de desarrollo de tecnología para el cálculo, diseño y diseño de motores, el problema de crear una máquina con un factor de alta eficiencia no ha sido resuelto, aunque es crítico para muchas áreas de la ciencia y la tecnología.
La física cuántica, descubierta a principios del siglo XX, ya nos ha presentado muchas sorpresas en el mundo de la tecnología: teoría atómica, semiconductores, láseres y, finalmente, ordenadores cuánticos. Estos descubrimientos se basan en las propiedades inusuales de las partículas subatómicas, a saber, las correlaciones cuánticas entre ellas, una forma puramente cuántica de intercambiar información.
Y parece que la física cuántica está lista para sorprendernos de nuevo: años de desarrollo de la termodinámica cuántica han permitido a los físicos demostrar que los motores de calor cuántico pueden tener una alta eficiencia a pequeña escala, inaccesible para las máquinas clásicas.
norte
Echemos un vistazo a qué es la termodinámica cuántica, cómo funcionan los motores térmicos, qué mejoras ofrece la física cuántica y qué se debe hacer para crear un motor eficiente del futuro.
Motores térmicos clásicos
En su libro de 1824, Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego, el ingeniero francés Sadi Carnot de 28 años descubrió cómo las máquinas de vapor pueden convertir eficientemente el calor en trabajo que hace que un pistón se mueva o una rueda gire.
Video promocional:
Para sorpresa de Carnot, la eficiencia de un motor ideal dependía solo de la diferencia de temperatura entre la fuente de calor del motor (un calentador, generalmente un fuego) y un disipador de calor (un refrigerador, generalmente aire ambiente).
Carnot se dio cuenta de que el trabajo es un subproducto de la transición natural del calor de un cuerpo caliente a uno frío.
El esquema de trabajo de la máquina térmica.
En motores térmicos, se utiliza el siguiente ciclo. El calor Q 1 se suministra desde el calentador con temperatura t 1 al fluido de trabajo, parte del calor Q 2 se retira al refrigerador con temperatura t 2, t 1> t 2.
El trabajo realizado por la máquina térmica es igual a la diferencia entre el calor suministrado y extraído: A = Q 1 - Q 2, y la eficiencia η será igual a η = A / Q 1.
Carnot demostró que la eficiencia de cualquier motor térmico no puede exceder la eficiencia de un motor térmico ideal que opera en su ciclo con las mismas temperaturas del calentador y el refrigerador ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Crear un motor térmico eficiente es la máxima aproximación del valor real. Eficiencia η a ηCarnot ideal.
Sadi Carnot murió de cólera ocho años después, antes de que pudiera ver cómo, ya en el siglo XIX, su fórmula para la eficiencia se convirtió en la teoría de la termodinámica clásica, un conjunto de leyes universales que relacionan temperatura, calor, trabajo, energía y entropía.
La termodinámica clásica describe las propiedades estadísticas de los sistemas reduciendo microparámetros, como las posiciones y velocidades de las partículas, a macroparámetros: temperatura, presión y volumen. Las leyes de la termodinámica resultaron ser aplicables no solo a las máquinas de vapor, sino también al Sol, los agujeros negros, los seres vivos y todo el Universo.
Esta teoría es tan simple y general que Albert Einstein creyó que "nunca será derrocada". Sin embargo, desde el principio, la termodinámica ocupó una posición extremadamente extraña entre otras teorías del universo.
“Si las teorías físicas fueran humanas, la termodinámica sería una bruja de pueblo”, escribió la física Lydia del Rio hace unos años. "Otras teorías la encuentran extraña, diferente a las demás, pero todos acuden a ella en busca de consejos y nadie se atreve a contradecirla".
La termodinámica nunca ha pretendido ser un método universal para analizar el mundo que nos rodea; más bien, es una forma de usar este mundo de manera efectiva.
La termodinámica nos dice cómo aprovechar al máximo recursos como el gas caliente o el metal magnetizado para lograr objetivos específicos, ya sea mover un tren o formatear un disco duro.
Su versatilidad proviene del hecho de que no intenta comprender los detalles microscópicos de los sistemas individuales, sino que solo se preocupa por determinar qué operaciones son fáciles de implementar en estos sistemas y cuáles son difíciles.
Este enfoque puede parecer extraño para los científicos, pero se usa activamente en física, informática, economía, matemáticas y muchos otros lugares.
Una de las características más extrañas de una teoría es la subjetividad de sus reglas. Por ejemplo, un gas compuesto de partículas con la misma temperatura en promedio tiene diferencias de temperatura microscópicas en una inspección más cercana.
En los últimos años ha surgido una comprensión revolucionaria de la termodinámica, que explica esta subjetividad a través de la teoría de la información cuántica, que describe la propagación de información a través de sistemas cuánticos.
Así como la termodinámica surgió originalmente de los intentos de mejorar las máquinas de vapor, la termodinámica moderna describe el funcionamiento de nanopartículas controladas por máquinas cuánticas.
Para una descripción correcta, nos vemos obligados a extender la termodinámica a la región cuántica, donde conceptos como temperatura y trabajo pierden su significado habitual y las leyes clásicas de la mecánica dejan de funcionar.
Termodinámica cuántica
El nacimiento de la termodinámica cuántica
En una carta de 1867 a su colega escocés Peter Tate, el famoso físico James Clark Maxwell formuló la famosa paradoja, insinuando la conexión entre la termodinámica y la información.
La paradoja se refería a la segunda ley de la termodinámica: la regla de que la entropía siempre aumenta. Como señaló más tarde Sir Arthur Eddington, esta regla "ocupa una posición dominante entre las leyes de la naturaleza".
Según la segunda ley, la energía se vuelve más desordenada y menos útil a medida que viaja de cuerpos calientes a fríos y las diferencias de temperatura disminuyen.
Y como recordamos del descubrimiento de Carnot, se requiere un cuerpo frío y caliente para hacer un trabajo útil. Los incendios se apagan, las tazas de café de la mañana se enfrían y el universo se precipita hacia un estado de temperatura uniforme conocido como la muerte térmica del universo.
El gran físico austríaco Ludwig Boltzmann demostró que el aumento de la entropía es una consecuencia de las leyes de la estadística matemática ordinaria: hay muchas más formas de distribuir la energía de manera uniforme entre las partículas que su concentración local. Cuando las partículas se mueven, tienden naturalmente a estados de entropía más altos.
Pero la carta de Maxwell describía un experimento mental en el que cierto ser iluminado, más tarde llamado demonio de Maxwell, usa su conocimiento para reducir la entropía y violar la segunda ley.
El demonio todopoderoso conoce la posición y la velocidad de cada molécula en un contenedor de gas. Al dividir el contenedor en dos mitades y abrir y cerrar la pequeña puerta entre las dos cámaras, el demonio solo deja moléculas rápidas en una dirección y solo lentas en la otra.
Las acciones del demonio dividen el gas en frío y caliente, concentrando su energía y reduciendo la entropía total. Un gas que alguna vez fue inútil con una cierta temperatura promedio ahora se puede usar en un motor térmico.
Durante muchos años, Maxwell y otros se preguntaron cómo la ley de la naturaleza podía depender de conocer o no la posición y velocidad de las moléculas. Si la segunda ley de la termodinámica depende subjetivamente de esta información, ¿cómo puede ser una verdad absoluta?
Relación de la termodinámica con la información
Un siglo después, el físico estadounidense Charles Bennett, basándose en el trabajo de Leo Szilard y Rolf Landauer, resolvió la paradoja vinculando formalmente la termodinámica con la ciencia de la información. Bennett argumentó que el conocimiento del demonio se almacena en su memoria, y la memoria debe limpiarse, lo que requiere trabajo.
En 1961, Landauer calculó que a temperatura ambiente, una computadora necesita al menos 2,9 x 10-21 julios para borrar un bit de información almacenada. En otras palabras, cuando el demonio separa moléculas calientes y frías, reduciendo la entropía del gas, su conciencia consume energía y la entropía total del sistema gas + demonio aumenta sin violar la segunda ley de la termodinámica.
Las investigaciones han demostrado que la información es una cantidad física: cuanta más información tenga, más trabajo podrá extraer. El demonio de Maxwell crea trabajo a partir de gas a una temperatura, porque tiene mucha más información que un observador ordinario.
Tomó otro medio siglo y el apogeo de la teoría de la información cuántica, un campo nacido de la búsqueda de la computadora cuántica, para que los físicos estudiaran en detalle las sorprendentes implicaciones de la idea de Bennett.
Durante la última década, los físicos han asumido que la energía viaja de objetos calientes a objetos fríos debido a una cierta forma de propagar información entre partículas.
Según la teoría cuántica, las propiedades físicas de las partículas son probabilísticas y las partículas pueden estar en una superposición de estados. Cuando interactúan, se entrelazan al combinar las distribuciones de probabilidad que describen sus estados.
La posición central de la teoría cuántica es la afirmación de que la información nunca se pierde, es decir, el estado actual del Universo retiene toda la información sobre el pasado. Sin embargo, con el tiempo, a medida que las partículas interactúan y se entrelazan cada vez más, la información sobre sus estados individuales se mezcla y distribuye entre más y más partículas.
norte
La taza de café se enfría a temperatura ambiente, porque cuando las moléculas de café chocan con las moléculas de aire, la información que codifica la energía del café se escapa, se transmite al aire circundante y se pierde en él.
Sin embargo, entender la entropía como una medida subjetiva permite que el Universo en su conjunto se desarrolle sin pérdida de información. Incluso cuando la entropía de partes del Universo, por ejemplo, partículas de gas, café, lectores N + 1, crece a medida que su información cuántica se pierde en el Universo, la entropía global del Universo siempre permanece cero.
Motores de calor cuántico
¿Cómo, ahora, utilizando una comprensión más profunda de la termodinámica cuántica, para construir un motor térmico?
En 2012, se estableció el Centro Europeo de Investigación Tecnológica de Termodinámica Cuántica y actualmente emplea a más de 300 científicos e ingenieros.
El equipo del centro espera investigar las leyes que gobiernan las transiciones cuánticas en motores cuánticos y refrigeradores que algún día podrían enfriar computadoras o usarse en paneles solares, bioingeniería y otras aplicaciones.
Los investigadores ya comprenden mucho mejor que antes de lo que son capaces los motores cuánticos.
Un motor térmico es un dispositivo que utiliza un fluido de trabajo cuántico y dos depósitos a diferentes temperaturas (calentador y enfriador) para extraer trabajo. El trabajo es la transferencia de energía desde el motor a algún mecanismo externo sin cambiar la entropía del mecanismo.
Por otro lado, el calor es el intercambio de energía entre el fluido de trabajo y el depósito, lo que cambia la entropía del depósito. Con una conexión débil entre el depósito y el fluido de trabajo, el calor está asociado con la temperatura y se puede expresar como dQ = TdS, donde dS es el cambio en la entropía del depósito.
En un motor de calor cuántico elemental, el fluido de trabajo consta de una partícula. Dicho motor cumple la segunda ley y, por lo tanto, también está limitado por el límite de eficiencia de Carnot.
Cuando el medio de trabajo se pone en contacto con el depósito, la población de los niveles de energía cambia en el medio de trabajo. La propiedad definitoria del depósito es su capacidad para llevar el fluido de trabajo a una temperatura determinada, independientemente del estado inicial del cuerpo.
En este caso, la temperatura es un parámetro del estado cuántico del sistema, y no un macroparámetro, como en la termodinámica clásica: podemos hablar de temperatura como población de niveles de energía.
En el proceso de intercambio de energía con el depósito, el cuerpo también intercambia entropía; por lo tanto, el intercambio de energía en esta etapa se considera como transferencia de calor.
Por ejemplo, considere el ciclo cuántico de Otto, en el que un sistema de dos niveles actuará como fluido de trabajo. En tal sistema, hay dos niveles de energía, cada uno de los cuales puede poblarse; Sea la energía del nivel del suelo E 1, y el nivel excitado E 2. El ciclo de Otto consta de 4 etapas:
I. La distancia entre los niveles E 1 y E 2 aumenta y se convierte en Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Hay contacto con el calentador, el sistema se calienta, es decir, se llena el nivel de energía superior y cambia la entropía del fluido de trabajo. Esta interacción dura un tiempo τ 1.
III. Hay una compresión entre los niveles E 1 y E 2, es decir, hay trabajo en el sistema, ahora las distancias entre los niveles son Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. El cuerpo se pone en contacto con el frigorífico durante un tiempo τ 2, lo que le da la oportunidad de relajarse, de vaciar el nivel superior. El nivel inferior ahora está completamente poblado.
Aquí no podemos decir nada sobre la temperatura del fluido de trabajo, solo importan las temperaturas del calentador y el refrigerador. El trabajo perfecto se puede escribir como:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
donde p 0 (1) es la probabilidad de que el fluido de trabajo estuviera en estado de suelo (excitado). La eficiencia de este motor cuántico de cuatro tiempos es η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ciclo de Otto en un sistema cuántico de dos niveles.
Por ejemplo, es posible construir un motor cuántico en el que un qubit superconductor juega el papel de un fluido de trabajo, y dos resistencias normales con resistencias diferentes se utilizan como calentador y refrigerador.
Estas resistencias generan ruido que tiene una temperatura característica: ruido grande - calentador, pequeño - refrigerador.
El funcionamiento correcto de dicho motor se demostró en el trabajo de científicos de la Universidad Aalto en Finlandia.
En la implementación del ciclo Otto, la diferencia entre los niveles de energía se puede modular con un flujo magnético constante, es decir, "exprimir" o "expandir" los niveles, y el encendido de la interacción con los depósitos se obtuvo de manera excelente mediante señales cortas de microondas.
En 2015, los científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén calcularon que tales motores cuánticos podrían superar a sus homólogos clásicos.
Estos motores probabilísticos todavía siguen la fórmula de Carnot de eficiencia en términos de cuánto trabajo pueden extraer de la energía que pasa entre cuerpos fríos y calientes. Pero pueden recuperar el trabajo mucho más rápido.
En 2016 se demostró y presentó experimentalmente un motor de iones únicos, aunque no utilizó efectos cuánticos para amplificar la potencia.
Recientemente, se construyó un motor térmico cuántico basado en resonancia magnética nuclear, cuya eficiencia estaba muy cerca del ηCarnot ideal.
Los motores de calor cuántico también se pueden usar para enfriar sistemas grandes y microscópicos, como los qubits en una computadora cuántica.
Enfriar un microsistema significa disminuir las poblaciones a niveles excitados y disminuir la entropía. Esto se puede hacer mediante los mismos ciclos termodinámicos que involucran al calentador y al refrigerador, pero en la dirección opuesta.
En marzo de 2017, se publicó un artículo en el que, utilizando la teoría de la información cuántica, se derivó la tercera ley de la termodinámica, una declaración sobre la imposibilidad de alcanzar la temperatura del cero absoluto.
Los autores del artículo demostraron que la limitación de la velocidad de enfriamiento, que impide el logro del cero absoluto, surge de la limitación de la rapidez con la que se puede bombear información de las partículas en un objeto de tamaño finito.
El límite de velocidad tiene mucho que ver con las capacidades de enfriamiento de los refrigeradores cuánticos.
El futuro de los motores cuánticos
Pronto veremos el apogeo de las tecnologías cuánticas, y luego los motores de calor cuántico pueden ayudar mucho.
No funcionará usar un refrigerador de cocina para enfriar microsistemas debido a su funcionamiento errático; en promedio, la temperatura en él es baja, pero localmente puede alcanzar valores inaceptables.
Debido a la estrecha conexión de la termodinámica cuántica con la información, podemos usar nuestro conocimiento (información) para realizar trabajo local, por ejemplo, para implementar el demonio cuántico Maxwell utilizando sistemas multinivel para enfriar (purificar el estado) de los qubits en una computadora cuántica.
En lo que respecta a los motores cuánticos a gran escala, es demasiado pronto para argumentar que tal motor reemplazará a un motor de combustión interna. Hasta ahora, los motores de un solo átomo tienen una eficiencia demasiado baja.
Sin embargo, está intuitivamente claro que cuando se utiliza un sistema macroscópico con muchos grados de libertad, solo podremos extraer una pequeña parte del trabajo útil, ya que dicho sistema solo puede controlarse en promedio. En el concepto de motores cuánticos, es posible controlar los sistemas de manera más eficiente.
Por el momento, hay muchos problemas teóricos y de ingeniería en la ciencia de los motores térmicos a nanoescala. Por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas son un gran problema, que puede crear "fricción cuántica", introduciendo entropía extra y reduciendo la eficiencia del motor.
Los físicos e ingenieros ahora están trabajando activamente en el control óptimo del fluido de trabajo cuántico y en la creación de un nanocalentador y un nanoenfriador. Tarde o temprano, la física cuántica nos ayudará a crear una nueva clase de dispositivos útiles.
Mikhail Perelstein
