Orang-orang telah belajar membangun mesin pembakaran internal yang sangat kuat, tetapi mereka belum mempelajari hal utama - peningkatan efisiensi yang signifikan. Batasan pada jalur ini ditentukan oleh hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi suatu sistem pasti meningkat. Tetapi apakah mungkin untuk mengatasi batas ini dengan bantuan fisika kuantum? Ternyata itu mungkin, tetapi untuk ini perlu dipahami bahwa entropi itu subjektif, dan panas serta kerja bukanlah satu-satunya bentuk energi yang mungkin. Untuk informasi lebih lanjut tentang apa itu mesin kuantum, bagaimana mereka diatur dan apa kemampuannya, baca materi kami.
Selama 300 tahun perkembangan teknologi perhitungan, desain, dan konstruksi mesin, masalah pembuatan mesin dengan faktor efisiensi tinggi belum terpecahkan, meskipun penting untuk banyak bidang ilmu pengetahuan dan teknologi.
Fisika kuantum, yang ditemukan pada awal abad ke-20, telah memberi kita banyak kejutan di dunia teknologi: teori atom, semikonduktor, laser, dan akhirnya, komputer kuantum. Penemuan ini didasarkan pada sifat yang tidak biasa dari partikel subatomik, yaitu, korelasi kuantum di antara mereka - cara kuantum murni untuk bertukar informasi.
Dan tampaknya fisika kuantum siap mengejutkan kita sekali lagi: perkembangan bertahun-tahun termodinamika kuantum telah memungkinkan fisikawan untuk menunjukkan bahwa mesin kalor kuantum dapat memiliki efisiensi tinggi pada skala kecil, tidak dapat diakses oleh mesin klasik.
Mari kita lihat apa itu termodinamika kuantum, bagaimana mesin kalor bekerja, perbaikan apa yang diberikan fisika kuantum, dan apa yang perlu dilakukan untuk menciptakan mesin yang efisien di masa depan.
Mesin pemanas klasik
Dalam bukunya tahun 1824, Reflections on the Motive Force of Fire, insinyur Prancis berusia 28 tahun Sadi Carnot menemukan bagaimana mesin uap dapat secara efisien mengubah panas menjadi pekerjaan yang membuat piston bergerak atau roda berputar.
Video promosi:
Yang mengejutkan Carnot, efisiensi mesin yang ideal hanya bergantung pada perbedaan suhu antara sumber panas mesin (pemanas, biasanya api) dan heat sink (lemari es, biasanya udara sekitar).
Carnot menyadari bahwa kerja adalah produk sampingan dari transisi alami panas dari benda panas ke benda dingin.
Skema kerja mesin kalor.
Dalam mesin panas, siklus berikut digunakan. Panas Q 1 disuplai dari pemanas dengan suhu t 1 ke fluida kerja, sebagian panas Q 2 dipindahkan ke lemari es dengan suhu t 2, t 1> t 2.
Pekerjaan yang dilakukan oleh mesin kalor sama dengan perbedaan antara panas yang disuplai dan dibuang: A = Q 1 - Q 2, dan efisiensi η akan sama dengan η = A / Q 1.
Carnot menunjukkan bahwa efisiensi mesin kalor tidak dapat melebihi efisiensi mesin kalor ideal yang beroperasi dalam siklusnya dengan suhu pemanas dan lemari es yang sama ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. Membuat mesin kalor yang efisien merupakan perkiraan maksimum dari yang sebenarnya Efisiensi η ke ηCarnot ideal.
Sadi Carnot meninggal karena kolera delapan tahun kemudian - sebelum dia bisa melihat bagaimana, di abad ke-19, rumus efisiensinya berubah menjadi teori termodinamika klasik - seperangkat hukum universal yang menghubungkan suhu, panas, kerja, energi, dan entropi.
Termodinamika klasik menggambarkan sifat statistik sistem dengan mereduksi mikroparameter, seperti posisi dan kecepatan partikel, menjadi makroparameter: suhu, tekanan, dan volume. Hukum termodinamika ternyata berlaku tidak hanya untuk mesin uap, tetapi juga untuk Matahari, lubang hitam, makhluk hidup, dan seluruh Alam Semesta.
Teori ini begitu sederhana dan umum sehingga Albert Einstein percaya bahwa "tidak akan pernah bisa digulingkan". Namun, sejak awal, termodinamika menempati posisi yang sangat aneh di antara teori alam semesta lainnya.
“Jika teori fisika adalah manusia, termodinamika akan menjadi penyihir desa,” tulis fisikawan Lydia del Rio beberapa tahun lalu. "Teori lain menganggapnya aneh, berbeda dari yang lain, tetapi semua orang mendatanginya untuk meminta nasihat dan tidak ada yang berani membantahnya."
Termodinamika tidak pernah diklaim sebagai metode universal untuk menganalisis dunia di sekitar kita; sebaliknya, ini adalah cara untuk menggunakan dunia ini secara efektif.
Termodinamika memberi tahu kita cara memanfaatkan sumber daya seperti gas panas atau logam bermagnet untuk mencapai tujuan tertentu, baik itu memindahkan kereta atau memformat hard drive.
Fleksibilitasnya berasal dari fakta bahwa ia tidak mencoba memahami detail mikroskopis dari masing-masing sistem, tetapi hanya peduli tentang menentukan operasi mana yang mudah diterapkan dalam sistem ini dan mana yang sulit.
Pendekatan ini mungkin tampak aneh bagi para ilmuwan, tetapi secara aktif digunakan dalam fisika, ilmu komputer, ekonomi, matematika, dan banyak tempat lainnya.
Salah satu ciri paling aneh dari sebuah teori adalah subjektivitas aturannya. Misalnya, gas yang terdiri dari partikel dengan suhu yang sama rata-rata memiliki perbedaan suhu mikroskopis jika diamati lebih dekat.
Dalam beberapa tahun terakhir, pemahaman revolusioner tentang termodinamika telah muncul, menjelaskan subjektivitas ini melalui teori informasi kuantum, yang menjelaskan penyebaran informasi melalui sistem kuantum.
Sama seperti termodinamika yang awalnya tumbuh dari upaya untuk meningkatkan mesin uap, termodinamika modern menjelaskan pengoperasian nanopartikel yang sudah dikendalikan mesin kuantum.
Untuk penjelasan yang benar, kami dipaksa untuk memperluas termodinamika ke wilayah kuantum, di mana konsep seperti suhu dan kerja kehilangan arti biasanya, dan hukum klasik mekanika berhenti bekerja.
Termodinamika kuantum
Kelahiran termodinamika kuantum
Dalam sebuah surat bertanggal 1867 kepada rekan Skotlandia-nya Peter Tate, fisikawan terkenal James Clark Maxwell merumuskan paradoks terkenal, mengisyaratkan hubungan antara termodinamika dan informasi.
Paradoks itu menyangkut hukum kedua termodinamika - aturan bahwa entropi selalu meningkat. Seperti yang belakangan dikemukakan Sir Arthur Eddington, aturan ini "menempati posisi dominan di antara hukum alam".
Menurut hukum kedua, energi menjadi lebih tidak teratur dan kurang berguna saat bergerak dari benda panas ke dingin dan perbedaan suhu menurun.
Dan seperti yang kita ingat dari penemuan Carnot, tubuh yang panas dan dingin diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Api padam, cangkir kopi pagi mendingin, dan alam semesta bergerak cepat menuju kondisi suhu seragam yang dikenal sebagai kematian panas alam semesta.
Fisikawan besar Austria Ludwig Boltzmann menunjukkan bahwa peningkatan entropi adalah konsekuensi dari hukum statistik matematika biasa: terdapat lebih banyak cara untuk mendistribusikan energi secara merata antar partikel daripada untuk konsentrasi lokalnya. Ketika partikel bergerak, mereka secara alami cenderung ke keadaan entropi yang lebih tinggi.
Tetapi surat Maxwell menggambarkan eksperimen pemikiran di mana makhluk tercerahkan tertentu - yang kemudian disebut iblis Maxwell - menggunakan pengetahuannya untuk mengurangi entropi dan melanggar hukum kedua.
Setan yang maha kuasa mengetahui posisi dan kecepatan setiap molekul dalam wadah gas. Dengan membagi wadah menjadi dua bagian dan membuka dan menutup pintu kecil di antara dua ruang, iblis hanya membiarkan molekul cepat dalam satu arah dan hanya memperlambat molekul di arah lain.
Tindakan iblis membagi gas menjadi panas dan dingin, memusatkan energinya dan mengurangi total entropi. Gas yang tadinya tidak berguna dengan suhu rata-rata tertentu sekarang dapat digunakan dalam mesin pemanas.
Selama bertahun-tahun, Maxwell dan yang lainnya bertanya-tanya bagaimana hukum alam dapat bergantung pada mengetahui atau tidak mengetahui posisi dan kecepatan molekul. Jika hukum kedua termodinamika secara subyektif bergantung pada informasi ini, lalu bagaimana itu bisa menjadi kebenaran mutlak?
Hubungan termodinamika dengan informasi
Seabad kemudian, fisikawan Amerika Charles Bennett, yang mengambil karya Leo Szilard dan Rolf Landauer, menyelesaikan paradoks tersebut dengan secara resmi menghubungkan termodinamika dengan ilmu informasi. Bennett berpendapat bahwa pengetahuan iblis disimpan dalam ingatannya, dan ingatan itu harus dibersihkan, yang membutuhkan pekerjaan.
Pada tahun 1961, Landauer menghitung bahwa pada suhu kamar, komputer membutuhkan setidaknya 2,9 x 10-21 joule untuk menghapus satu bit informasi yang tersimpan. Dengan kata lain, ketika iblis memisahkan molekul panas dan dingin, mengurangi entropi gas, kesadarannya mengkonsumsi energi, dan total entropi sistem gas + iblis meningkat tanpa melanggar hukum kedua termodinamika.
Penelitian telah menunjukkan bahwa informasi adalah kuantitas fisik - semakin banyak informasi yang Anda miliki, semakin banyak pekerjaan yang dapat Anda ekstrak. Setan Maxwell menciptakan pekerjaan dari gas pada satu suhu, karena dia memiliki lebih banyak informasi daripada pengamat biasa.
Butuh setengah abad lagi dan masa kejayaan teori informasi kuantum, bidang yang lahir dari pencarian komputer kuantum, bagi fisikawan untuk mempelajari secara detail implikasi mengejutkan dari ide Bennett.
Selama dekade terakhir, fisikawan berasumsi bahwa perjalanan energi dari benda panas ke benda dingin karena cara tertentu menyebarkan informasi antar partikel.
Menurut teori kuantum, sifat fisik partikel bersifat probabilistik dan partikel dapat berada dalam status superposisi. Ketika mereka berinteraksi, mereka menjadi terjerat dengan menggabungkan bersama-sama distribusi probabilitas yang menggambarkan keadaan mereka.
Posisi sentral teori kuantum adalah pernyataan bahwa informasi tidak pernah hilang, yaitu keadaan Semesta saat ini menyimpan semua informasi tentang masa lalu. Namun, seiring waktu, saat partikel berinteraksi dan menjadi semakin terjerat, informasi tentang status masing-masing partikel bercampur dan didistribusikan di antara semakin banyak partikel.
Secangkir kopi mendingin hingga suhu kamar, karena ketika molekul kopi bertabrakan dengan molekul udara, informasi yang mengkode energi kopi bocor, dikirim ke udara sekitarnya dan hilang di dalamnya.
Namun, memahami entropi sebagai ukuran subjektif memungkinkan Semesta secara keseluruhan berkembang tanpa kehilangan informasi. Bahkan ketika entropi bagian-bagian Alam Semesta, misalnya partikel gas, kopi, pembaca N + 1, tumbuh saat informasi kuantumnya hilang di Semesta, entropi global Semesta selalu tetap nol.
Mesin panas kuantum
Bagaimana, sekarang, menggunakan pemahaman yang lebih dalam tentang termodinamika kuantum, untuk membangun mesin panas?
Pada tahun 2012, Pusat Penelitian Teknologi Eropa untuk Termodinamika Kuantum didirikan dan saat ini mempekerjakan lebih dari 300 ilmuwan dan insinyur.
Tim pusat berharap untuk menyelidiki hukum yang mengatur transisi kuantum di motor kuantum dan lemari es yang mungkin suatu saat mendinginkan komputer atau digunakan dalam panel surya, bioteknologi, dan aplikasi lainnya.
Para peneliti sudah memahami jauh lebih baik daripada sebelumnya apa yang mampu dilakukan oleh mesin kuantum.
Mesin panas adalah perangkat yang menggunakan fluida kerja kuantum dan dua reservoir pada suhu yang berbeda (pemanas dan pendingin) untuk mengekstraksi pekerjaan. Kerja adalah perpindahan energi dari mesin ke beberapa mekanisme eksternal tanpa mengubah entropi mekanisme tersebut.
Di sisi lain, panas adalah pertukaran energi antara fluida kerja dan reservoir, yang mengubah entropi reservoir. Dengan hubungan yang lemah antara reservoir dan fluida kerja, panas berhubungan dengan temperatur dan dapat dinyatakan sebagai dQ = TdS, dimana dS adalah perubahan entropi reservoir.
Dalam mesin kalor kuantum elementer, fluida kerja terdiri dari satu partikel. Motor semacam itu memenuhi hukum kedua dan oleh karena itu juga dibatasi oleh batas efisiensi Carnot.
Ketika media kerja disentuh dengan reservoir, populasi tingkat energi berubah di media kerja. Properti yang menentukan dari reservoir adalah kemampuannya untuk membawa fluida kerja ke suhu tertentu, terlepas dari keadaan awal tubuh.
Dalam hal ini, suhu adalah parameter keadaan kuantum sistem, dan bukan makroparameter, seperti dalam termodinamika klasik: kita dapat berbicara tentang suhu sebagai populasi tingkat energi.
Dalam proses pertukaran energi dengan reservoir, tubuh juga mengalami pertukaran entropi, oleh karena itu pertukaran energi pada tahap ini dianggap sebagai perpindahan panas.
Misalnya, pertimbangkan siklus Otto kuantum, di mana sistem dua tingkat akan bertindak sebagai fluida kerja. Dalam sistem seperti itu, ada dua tingkat energi, yang masing-masing dapat diisi; biarkan energi dari permukaan tanah menjadi E 1, dan tingkat tereksitasi E 2. Siklus Otto terdiri dari 4 tahap:
I. Jarak antara level E 1 dan E 2 bertambah dan menjadi Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Ada kontak dengan pemanas, sistem memanas, yaitu, tingkat energi atas diisi dan entropi fluida kerja berubah. Interaksi ini berlangsung selama τ 1.
AKU AKU AKU. Ada kompresi antara level E 1 dan E 2, yaitu ada pekerjaan pada sistem, sekarang jarak antar level adalah Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Tubuh dibawa ke dalam kontak dengan lemari es untuk sementara waktu τ2, yang memberikan kesempatan untuk bersantai, untuk mengosongkan tingkat atas. Tingkat yang lebih rendah sekarang sudah terisi penuh.
Di sini kita tidak bisa mengatakan apa-apa tentang suhu fluida kerja, hanya suhu pemanas dan lemari es yang penting. Karya yang sempurna dapat ditulis sebagai:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
dimana p 0 (1) adalah probabilitas fluida kerja dalam keadaan ground (tereksitasi). Efisiensi mesin empat langkah kuantum ini adalah η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Siklus Otto pada sistem dua tingkat kuantum.
Misalnya, dimungkinkan untuk membangun mesin kuantum di mana qubit superkonduktor berperan sebagai fluida kerja, dan dua resistor normal dengan resistansi berbeda digunakan sebagai pemanas dan lemari es.
Resistor ini menghasilkan kebisingan yang memiliki karakteristik suhu: kebisingan besar - pemanas, kulkas kecil.
Pengoperasian yang benar dari mesin semacam itu ditunjukkan dalam karya ilmuwan dari Universitas Aalto di Finlandia.
Dalam pelaksanaan siklus Otto, perbedaan antara tingkat energi dapat dimodulasi oleh fluks magnet konstan, yaitu, "menekan" atau "memperluas" level, dan menyalakan interaksi dengan reservoir diperoleh secara sempurna oleh sinyal gelombang mikro pendek.
Pada 2015, para ilmuwan di Hebrew University of Jerusalem menghitung bahwa motor kuantum semacam itu dapat mengungguli motor klasik.
Mesin probabilistik ini masih mengikuti rumus Carnot untuk efisiensi dalam hal seberapa banyak pekerjaan yang dapat mereka ekstrak dari energi yang lewat antara benda panas dan dingin. Tetapi mereka dapat mengambil pekerjaan lebih cepat.
Mesin ion tunggal didemonstrasikan secara eksperimental dan disajikan pada tahun 2016, meskipun tidak menggunakan efek kuantum untuk memperkuat daya.
Baru-baru ini, mesin panas kuantum berdasarkan resonansi magnetis nuklir dibangun, yang efisiensinya sangat mendekati ηCarnot yang ideal.
Mesin panas kuantum juga dapat digunakan untuk mendinginkan sistem besar dan mikroskopis, seperti qubit di komputer kuantum.
Mendinginkan sistem mikro berarti mengurangi populasi pada tingkat tereksitasi dan menurunkan entropi. Ini dapat dilakukan melalui siklus termodinamika yang sama yang melibatkan pemanas dan lemari es, tetapi berjalan dengan arah yang berlawanan.
Pada Maret 2017, sebuah artikel diterbitkan di mana, menggunakan teori informasi kuantum, hukum ketiga termodinamika diturunkan - pernyataan tentang ketidakmungkinan mencapai suhu nol mutlak.
Penulis artikel menunjukkan bahwa batasan laju pendinginan, yang mencegah pencapaian nol mutlak, muncul dari batasan tentang seberapa cepat informasi dapat dipompa keluar dari partikel dalam suatu objek berukuran terbatas.
Batas kecepatan banyak berkaitan dengan kemampuan pendinginan lemari es kuantum.
Masa depan mesin kuantum
Segera kita akan melihat masa kejayaan teknologi kuantum, dan kemudian mesin panas kuantum dapat banyak membantu.
Tidak akan berhasil menggunakan lemari es dapur untuk mendinginkan sistem mikro karena pengoperasiannya yang tidak menentu - rata-rata, suhu di dalamnya rendah, tetapi secara lokal dapat mencapai nilai yang tidak dapat diterima.
Karena keterkaitan erat antara termodinamika kuantum dengan informasi, kami dapat menggunakan pengetahuan (informasi) untuk melakukan pekerjaan lokal - misalnya, untuk mengimplementasikan demon kuantum Maxwell menggunakan sistem bertingkat untuk mendinginkan (memurnikan keadaan) qubit di komputer kuantum.
Sejauh menyangkut mesin kuantum dalam skala yang lebih besar, terlalu dini untuk menyatakan bahwa mesin semacam itu akan menggantikan mesin pembakaran internal. Sejauh ini, mesin atom tunggal memiliki efisiensi yang terlalu rendah.
Namun, secara naluriah jelas bahwa ketika menggunakan sistem makroskopik dengan banyak derajat kebebasan, kita hanya akan dapat mengekstrak sebagian kecil dari karya yang bermanfaat, karena sistem seperti itu hanya dapat dikontrol secara rata-rata. Dalam konsep motor kuantum, dimungkinkan untuk mengontrol sistem dengan lebih efisien.
Saat ini, ada banyak masalah teori dan teknik dalam ilmu mesin panas berskala nano. Misalnya, fluktuasi kuantum adalah masalah besar, yang dapat menciptakan "gesekan kuantum", memperkenalkan entropi ekstra dan mengurangi efisiensi mesin.
Fisikawan dan insinyur sekarang secara aktif bekerja pada kontrol optimal fluida kerja kuantum dan pembuatan nanheater dan nanocooler. Cepat atau lambat, fisika kuantum akan membantu kita menciptakan kelas baru perangkat yang berguna.
Mikhail Perelstein
