افزایش کارایی موتور گرمایی به کمک کوانتیزه کردن انرژی

فیزیکدانان نشان داده‌اند کوانتیزه کردن انرژی می‌تواند بازده موتور گرمایی تک اتمی را نسبت به حد کلاسیک، بهبود بخشد. کوانتیزه کردن انرژی که به سبب آن، انرژی سیستم تنها در سطوح گسسته قرار می‌گیرد، یک ویژگی مهم سیستم‌های کوانتومی است و در مقابل انرژی پوستار سیستم‌های کلاسیک، قرار می‌گیرد. اکنون فیزیکدانانی از دانشگاه هاروارد، از کوانتیزه کردن انرژی جهت بهبود عملکرد موتور گرمایی استفاه کرده‌اند که نتیجه‌ی آن به تازگی در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

محققان در این پژوهش، عملکرد ماشین‌های گرمایی کلاسیک و کوانتومی، که گرما را به کار تبدیل می‌کنند، مقایسه کرده‌اند. در نمونه‌ی کلاسیک، یک ماده‌ی کار قابل فشرده‌سازی (معمولاٌ یک گاز) برای انجام فرآیند تبدیل، نیاز است. زمانی که ماده‌ی کار گرم می‌شود، منبسط شده و باعث حرکت مکانیکی موتور می‌شود. رسیدن به نسبت‌های تراکم بزرگ که برای کارایی بالا ضروری است، می‌تواند یک چالش آزمایشگاهی باشد. با این وجود، در نمونه‌ی کوانتومی با سطوح انرژی گسسته، موتور گرمایی الزاما به ماده‌ی کار قابل فشرده‌سازی نیاز نداشته و می‌تواند با ماده‌ی کار غیرقابل فشرده‌سازی نیز کار کند.

به طور کلی، زمانی که کوانتش انرژی را در نظر می‌گیریم، الگوهای کلاسیک می‌شکنند و دیگر نسبت‌های بزرگ تراکم برای بدست آوردن موتورهای گرمایی با بازده بالا، نیاز نیست. همانطور که دانشمندان نشان دادند، به‌کارگیری مناسب سطوح انرژی، به بازده‌های بالاتری منجر شده و درهایی را به سوی تحقق ماشین‌های گرمایی که بصورت کلاسیک غیرقابل تصور هستند، باز می‌کند.

از طرفی، فیزیک‌دانان نشان داده‌اند اگرچه کوانتش انرژی می‌تواند بازده موتور گرمایی را بهبود بخشد، اما کارایی، هنوز به حد کارنو (حد بنیادین برای بازده هر موتور گرمایی) محدود می‌شود. به علاوه، بهبود کارایی تنها زمانی اتفاق می‌افتد که سطوح کوانتیزه انرژی بصورت ناهمگن، تراز شده باشند. محققان در آینده قصد دارند این امکان را بیشتر بررسی کرده و انواع گوناگونی از مواد کار، مانند موادی که از ذرات برهم‌ کنش‌کننده یا غیرقابل تمیز، تشکیل شده باشند را نیز کشف کنند.