Δύο φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης απέδειξαν ότι η αρχή Carnot, ένας θεμελιώδης κανόνας της θερμοδυναμικής, δεν ισχύει πλήρως σε ατομική κλίμακα όταν τα σωματίδια είναι φυσικά συνδεδεμένα (τα λεγόμενα συσχετισμένα αντικείμενα). Τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι αυτό το μακροχρόνιο όριο στην απόδοση καταρρέει για μικροσκοπικά συστήματα που διέπονται από κβαντικά φαινόμενα. Η εργασία θα μπορούσε να βοηθήσει στην επιτάχυνση της προόδου προς εξαιρετικά μικρούς και ενεργειακά αποδοτικούς κβαντικούς κινητήρες. Η ομάδα δημοσίευσε τη μαθηματική της απόδειξη στο περιοδικό Science Advances.
Πώς λειτουργούν οι μηχανές
Οι παραδοσιακές θερμικές μηχανές, όπως οι μηχανές εσωτερικής καύσης και οι ατμοστρόβιλοι, λειτουργούν μετατρέποντας τη θερμική ενέργεια σε μηχανική κίνηση ή απλώς μετατρέποντας τη θερμότητα σε κίνηση. Τα τελευταία χρόνια, οι εξελίξεις στην κβαντομηχανική έχουν επιτρέψει στους ερευνητές να συρρικνώσουν τις θερμικές μηχανές σε μικροσκοπικές διαστάσεις.
"Μικροσκοπικοί κινητήρες, όχι μεγαλύτεροι από ένα μόνο άτομο, θα μπορούσαν να γίνουν πραγματικότητα στο μέλλον", λέει ο καθηγητής Eric Lutz του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Ι στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης. "Είναι πλέον επίσης προφανές ότι αυτές οι μηχανές μπορούν να επιτύχουν υψηλότερη μέγιστη απόδοση από τις μεγαλύτερες θερμικές μηχανές."
Ο καθηγητής Lutz και ο Δρ. Milton Aguilar, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ίδιο ινστιτούτο, περιγράφουν τη φυσική πίσω από αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα στην εργασία τους με τίτλο Science Advances. Σε μια συνέντευξη τριών ερωτήσεων, σκιαγραφούν τι ανακάλυψαν και γιατί έχει σημασία.
Επανεξετάζοντας ένα όριο απόδοσης 200 ετών
Σχεδόν πριν από δύο αιώνες, ο Γάλλος φυσικός Sadi Carnot καθιέρωσε τη θεωρητική μέγιστη απόδοση που μπορεί να επιτύχει οποιαδήποτε θερμική μηχανή. Η αρχή Carnot, η οποία αργότερα έγινε μέρος του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, διατυπώθηκε για συστήματα μεγάλης κλίμακας όπως οι ατμοστρόβιλοι.
Οι ερευνητές της Στουτγάρδης έχουν πλέον δείξει ότι αυτή η αρχή πρέπει να επεκταθεί όταν εφαρμόζεται σε συστήματα ατομικής κλίμακας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους ισχυρά συσχετισμένους μοριακούς κινητήρες, όπου τα σωματίδια είναι στενά συνδεδεμένα με τρόπους που δεν λαμβάνονται υπόψη στην κλασική θερμοδυναμική.
Ο Κρυφός Ρόλος των Κβαντικών Συσχετίσεων
Το αρχικό έργο του Carnot έδειξε ότι η απόδοση εξαρτάται από τις διαφορές θερμοκρασίας, με μεγαλύτερα κενά μεταξύ ζεστού και κρύου να οδηγούν σε μεγαλύτερη πιθανή απόδοση. Αυτό που δεν περιλαμβάνει η κλασική διατύπωση είναι η επίδραση των κβαντικών συσχετίσεων. Αυτές είναι ανεπαίσθητες συνδέσεις που προκύπτουν μεταξύ των σωματιδίων όταν τα συστήματα γίνονται εξαιρετικά μικρά.
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές κατέληξαν σε γενικευμένους θερμοδυναμικούς νόμους που ενσωματώνουν πλήρως αυτές τις συσχετίσεις. Τα αποτελέσματά τους αποκαλύπτουν ότι οι θερμικές μηχανές ατομικής κλίμακας μπορούν να μετατρέψουν όχι μόνο τη θερμότητα σε έργο αλλά και τις ίδιες τις κβαντικές συσχετίσεις. Λόγω αυτής της πρόσθετης συμβολής, τέτοιες μηχανές μπορούν να παράγουν περισσότερο έργο από ό,τι επιτρέπει η κλασική θεωρία, πράγμα που σημαίνει ότι η απόδοση μιας κβαντικής μηχανής μπορεί να υπερβεί το παραδοσιακό όριο Carnot.
Τι σημαίνει αυτό για την τεχνολογία του μέλλοντος
Πέρα από τη βελτίωση της θεμελιώδους φυσικής, η έρευνα ανοίγει νέες δυνατότητες για μελλοντικές εφαρμογές. Μια βαθύτερη κατανόηση του πώς λειτουργούν οι φυσικοί νόμοι σε ατομικό επίπεδο θα μπορούσε να επιταχύνει την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων εξαιρετικά μικρών και εξαιρετικά αποδοτικών κβαντικών κινητήρων ικανών για ακριβείς εργασίες νανοκλίμακας.
Τέτοιοι κινητήρες θα μπορούσαν μια μέρα να τροφοδοτούν ιατρικά νανορομπότ ή να καθοδηγούν μηχανές που χειρίζονται υλικά άτομο προς άτομο. Το εύρος των πιθανών χρήσεων είναι τεράστιο, υπογραμμίζοντας πώς η επανεξέταση βασικών επιστημονικών αρχών μπορεί να οδηγήσει σε εντελώς νέους τεχνολογικούς ορίζοντες.
www.worldenergynews.gr
