Energikvantisering forbedrer ydeevnen for enkelt-atom varmemaskiner

Fysikere har demonstreret, at energikvantisering kan forbedre effektiviteten af ​​en enkeltatom varmemotor til at overstige ydeevnen for dens klassiske modstykke. Energikvantisering, hvor energisystemet i et system kun forekommer i diskrete værdier, er et kendetegn ved kvantesystemer og adskiller sig fra de kontinuerlige energiniveauer, der forekommer i klassiske systemer.

Fysikerne, David Gelbwaser-Klimovsky ved Harvard University og medforfattere, har udgivet et papir om brug af energikvantisering til at forbedre ydelsen af ​​varmemaskiner i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

I deres arbejde, forskerne sammenlignede ydelsen af ​​klassiske og kvantevarmemaskiner, som omdanner varme til arbejde. I den klassiske version, et kompressibelt arbejdsstof (normalt en gas) er påkrævet til drift. Når arbejdsstoffet opvarmes, den udvider og driver motorens mekaniske bevægelse. I praksis, det kan være eksperimentelt udfordrende at nå de store kompressionsforhold, der er nødvendige for høj ydeevne. Imidlertid, i kvanteudgaven med kvantiserede energiniveauer, varmemotoren ikke kræver et komprimerbart arbejdsstof, men i stedet kan fungere med inkomprimerbare arbejdsstoffer.

Så generelt set når man overvejer energikvantisering i en varmemotor, de klassiske paradigmer bryder sammen, og store kompressionsforhold er ikke længere nødvendige for at opnå meget effektive varmemotorer. Som forskerne demonstrerede, den passende manipulation af energiniveauer fører til højere effektivitet og åbner dørene for at realisere varmemaskiner, der er klassisk utænkelige.

Fysikerne viste også, at selvom energikvantisering kan forbedre varmemotoreffektiviteten, effektiviteten er stadig underlagt Carnot -grænsen - den grundlæggende grænse for effektiviteten af ​​enhver varmemotor. Ud over, præstationsforbedringen sker kun, når de kvantiserede energiniveauer inhomogent skaleres, hvilket er et regime, der hidtil har fået lidt opmærksomhed. I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge dette regime yderligere, samt udforske forskellige former for arbejdsstoffer, såsom dem, der består af interagerende eller ikke -adskilte partikler.

© 2018 Phys.org