4942
На атомному рівні теплові машини поводяться так, ніби класичні межі ефективності для них більше не існують.
Класичний «принцип Карно» визначають як «теоретичну верхню межу коефіцієнта корисної дії теплового двигуна, що залежить лише від різниці температур». Його сформулювали для парових машин і турбін. Проте нове дослідження показує, що цей принцип не описує поведінку надмалих систем. Особливо тоді, коли їхні фізичні властивості тісно пов’язані.
Фізики з Університету Штутгарта зосередилися на «квантових кореляціях», які пояснюють як «взаємозалежні стани частинок на атомному рівні». У таких системах енергія розподіляється інакше. Виявилося, що ці кореляції самі можуть бути джерелом роботи. Тепло — не єдине паливо.
«Теплові машини атомного масштабу можуть досягати вищого максимального ККД, ніж великі двигуни», — зазначає Ерік Лутц. Це твердження прямо суперечить класичному формулюванню другого закону термодинаміки. Але лише тому, що цей закон не враховував квантові зв’язки. У новій теорії їх включили явно.
Дослідники вивели «узагальнені закони термодинаміки», тобто «математичні правила, що враховують тепло, роботу та квантові кореляції одночасно». Вони показали, що атомний двигун може перетворювати кореляції на корисну роботу. У результаті ефективність може перевищувати межу Карно. Це не порушення фізики, а розширення її рамок.
«Карно нехтував кореляціями, бо вони не мають значення у великих системах», — пояснює Мілтон Агілар. На нанорівні ситуація протилежна. Саме ці тонкі зв’язки визначають поведінку системи. І саме вони відкривають нові можливості.
Практичні наслідки виглядають далекосяжними. «Квантові теплові двигуни» визначають як «надмалі машини, здатні виконувати роботу на основі квантових ефектів». У майбутньому вони можуть живити нанопристрої. Йдеться про медичні наноботи або атомно-точну обробку матеріалів.
Це дослідження не створює двигун завтра. Воно змінює фундаментальне уявлення про межі можливого. Коли масштаб зменшується до атомів, класичні обмеження втрачають універсальність. І саме там починається нова термодинаміка.
200-річний закон фізики порушується на атомному рівні з’явилася спочатку на Цікавості.
