物理学者が熱量子エンジンを実証

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ビデオ: 物理学の根幹を揺るがす思考実験(マクスウェルの悪魔) 2022, 12月
物理学者が熱量子エンジンを実証
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Anonim
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科学者たちは、その効率がそのクラスで可能な限り最高の値に近い量子エンジンを開発しました。エンジンはオットーサイクルで動作し、核磁気共鳴によってエネルギーを放出する半整数のスピン炭素原子核によって燃料が供給されます。この作品は、ジャーナルPhysics ReviewLettersに掲載されました。

1959年、物理学者のHenryScovilとErichSchulz-DuBoisは、量子エンジンのアイデアを開拓しました。彼らは、3レベルのメーザー(センチメートル範囲のコヒーレント電磁波の量子発生器)が熱機関と見なすことができることを示しました。原則として、可燃性混合物の蒸気または水蒸気が、古典的なエンジンの作動流体として選択されます。量子エンジンの作業体は粒子であり、その仕事は量子力学の法則によって記述されます。従来の熱力学では考慮されていない量子効果により、より効率の高いエンジンを作成することができます。

カナダのウォータールー大学のジョン・ピーターソンが率いる物理学者のグループは、核磁気共鳴の使用に基づいて、半整数スピン(作動流体として機能する)を備えた炭素核に基づいたエンジンを構築しました。古典的なものと同様に、彼らの量子エンジンには冷蔵庫とヒーターがあります-ラーモア周波数に近い高周波無線信号はヒーターの役割を果たし、冷蔵庫の役割は低周波電波モードによって果たされます。炭素核は冷蔵庫で冷却され、次に作動油は核スピンと共鳴する電波の助けを借りて膨張します(有用な仕事を得る瞬間)。さらに、炭素原子核は水素原子核と熱交換することによって加熱され(水素は熱媒体として機能します)、最後に作動油が再び圧縮されます(作業が行われます)。

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量子エンジンのオットーサイクル図

オットーサイクルの最大効率は、圧縮率に依存します。この設定で可能な最大値は約44パーセントです。実験では、42%の効率を達成することができました。これは、同じ圧縮率の内燃エンジンでは利用できない制限数に非常に近いものです。量子エンジンは従来のエンジンよりも効率的ですが、出力は大幅に低くなります。サイクルあたりのその有用な仕事は、ほんの数ペタ電子ボルト、つまり、数千分の1ジュールです。

量子エンジンはまだ実際には適用できません-それらが生成するエネルギーは非常に小さいです。科学者によると、エンジンの主な特性を測定し、その長所と短所を理解することが今でははるかに重要になっています。これらのデータは、科学者に量子熱機関を作成するための技術を開発する機会を与えます。たとえば、量子コンピューターの冷却に役立つ量子冷蔵庫。

最も有名な熱力学的サイクルであるカルノーサイクルも、その量子エンジンなしでは存続しませんでした。その効率は、初めて古典的なエンジンの最大効率を上回りました。

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