As pessoas aprenderam a construir motores de combustão interna muito poderosos, mas não aprenderam o principal - um aumento significativo em sua eficiência. O limite neste caminho é definido pela segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia de um sistema aumenta inevitavelmente. Mas é possível superar esse limite com a ajuda da física quântica? Descobriu-se que é possível, mas para isso foi necessário entender que a entropia é subjetiva, e o calor e o trabalho estão longe de ser as únicas formas possíveis de energia. Para obter mais informações sobre o que são os motores quânticos, como estão dispostos e do que são capazes, leia nosso material.
Há 300 anos de desenvolvimento da tecnologia de cálculo, projeto e construção de motores, o problema de se criar uma máquina com alto fator de eficiência não foi resolvido, embora seja crítico para muitas áreas da ciência e tecnologia.
A física quântica, descoberta no início do século 20, já nos apresentou muitas surpresas no mundo da tecnologia: teoria atômica, semicondutores, lasers e, finalmente, computadores quânticos. Essas descobertas são baseadas nas propriedades incomuns das partículas subatômicas, a saber, correlações quânticas entre elas - uma forma puramente quântica de trocar informações.
E parece que a física quântica está pronta para nos surpreender mais uma vez: anos de desenvolvimento da termodinâmica quântica permitiram aos físicos mostrar que motores térmicos quânticos podem ter alta eficiência em escalas pequenas, inacessíveis às máquinas clássicas.
Vamos dar uma olhada no que é termodinâmica quântica, como funcionam os motores de calor, quais melhorias a física quântica oferece e o que precisa ser feito para criar um motor eficiente do futuro.
Motores térmicos clássicos
Em seu livro de 1824, Reflexões sobre a força motriz do fogo, o engenheiro francês Sadi Carnot, de 28 anos, descobriu como as máquinas a vapor podem converter calor em trabalho que faz um pistão se mover ou girar uma roda.
Vídeo promocional:
Para a surpresa de Carnot, a eficiência de um motor ideal dependia apenas da diferença de temperatura entre a fonte de calor do motor (um aquecedor, geralmente um incêndio) e um dissipador de calor (uma geladeira, geralmente o ar ambiente).
Carnot percebeu que o trabalho é um subproduto da transição natural do calor de um corpo quente para um corpo frio.
O esquema de trabalho da máquina térmica.
Em máquinas térmicas, o seguinte ciclo é usado. O calor Q 1 é fornecido do aquecedor com temperatura t 1 para o fluido de trabalho, parte do calor Q 2 é levado para o refrigerador com temperatura t 2, t 1> t 2.
O trabalho realizado pela máquina térmica é igual à diferença entre o calor fornecido e o retirado: A = Q 1 - Q 2, e a eficiência η será igual a η = A / Q 1.
Carnot mostrou que a eficiência de qualquer motor térmico não pode exceder a eficiência de um motor térmico ideal operando em seu ciclo com as mesmas temperaturas do aquecedor e do refrigerador ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. A criação de um motor térmico eficiente é a aproximação máxima do real Eficiência η para ηCarnot ideal.
Sadi Carnot morreu de cólera oito anos depois - antes de ver como, já no século 19, sua fórmula para a eficiência se transformou na teoria da termodinâmica clássica - um conjunto de leis universais que ligam temperatura, calor, trabalho, energia e entropia.
A termodinâmica clássica descreve as propriedades estatísticas dos sistemas reduzindo microparâmetros, como as posições e velocidades das partículas, a macroparâmetros: temperatura, pressão e volume. As leis da termodinâmica mostraram-se aplicáveis não apenas às máquinas a vapor, mas também ao Sol, aos buracos negros, aos seres vivos e a todo o Universo.
Essa teoria é tão simples e geral que Albert Einstein acreditava que "nunca será derrubada". No entanto, desde o início, a termodinâmica ocupou uma posição extremamente estranha entre outras teorias do universo.
“Se as teorias físicas fossem humanas, a termodinâmica seria uma bruxa de aldeia”, escreveu a física Lydia del Rio alguns anos atrás. "Outras teorias a acham estranha, diferente das demais, mas todos vêm a ela em busca de conselhos e ninguém ousa contradizê-la."
A termodinâmica nunca afirmou ser um método universal para analisar o mundo que nos rodeia, mas sim uma forma de usar este mundo de forma eficaz.
A termodinâmica nos diz como aproveitar ao máximo os recursos, como gás quente ou metal magnetizado, para atingir objetivos específicos, seja mover um trem ou formatar um disco rígido.
Sua versatilidade vem do fato de que ele não tenta entender os detalhes microscópicos de sistemas individuais, mas apenas se preocupa em determinar quais operações são fáceis de implementar nesses sistemas e quais são difíceis.
Esta abordagem pode parecer estranha para os cientistas, mas é ativamente usada na física, ciência da computação, economia, matemática e muitos outros lugares.
Uma das características mais estranhas de uma teoria é a subjetividade de suas regras. Por exemplo, um gás feito de partículas com a mesma temperatura em média tem diferenças microscópicas de temperatura após uma inspeção mais detalhada.
Nos últimos anos, surgiu uma compreensão revolucionária da termodinâmica, explicando essa subjetividade por meio da teoria da informação quântica, que descreve a propagação da informação por meio de sistemas quânticos.
Assim como a termodinâmica surgiu originalmente de tentativas de melhorar os motores a vapor, a termodinâmica moderna descreve a operação de nanopartículas já controladas por máquinas quânticas.
Para uma descrição correta, somos forçados a estender a termodinâmica à região quântica, onde conceitos como temperatura e trabalho perdem seu significado usual e as leis clássicas da mecânica param de funcionar.
Termodinâmica quântica
O nascimento da termodinâmica quântica
Em uma carta datada de 1867 a seu colega escocês Peter Tate, o famoso físico James Clark Maxwell formulou o famoso paradoxo, sugerindo a conexão entre a termodinâmica e a informação.
O paradoxo dizia respeito à segunda lei da termodinâmica - a regra de que a entropia sempre aumenta. Como Sir Arthur Eddington observou mais tarde, essa regra "ocupa uma posição dominante entre as leis da natureza".
De acordo com a segunda lei, a energia se torna mais desordenada e menos útil à medida que viaja dos corpos quentes para os frios e as diferenças de temperatura diminuem.
E, como lembramos da descoberta de Carnot, um corpo quente e frio é necessário para fazer um trabalho útil. O fogo se apaga, as xícaras de café da manhã esfriam e o universo corre para um estado de temperatura uniforme conhecido como a morte térmica do universo.
O grande físico austríaco Ludwig Boltzmann mostrou que o aumento da entropia é uma consequência das leis da estatística matemática comum: há muito mais maneiras de distribuir uniformemente a energia entre as partículas do que para sua concentração local. Quando as partículas se movem, elas tendem naturalmente a estados de entropia mais elevados.
Mas a carta de Maxwell descreveu um experimento mental no qual um certo ser iluminado - mais tarde chamado de demônio de Maxwell - usa seu conhecimento para reduzir a entropia e violar a segunda lei.
O demônio todo-poderoso conhece a posição e a velocidade de cada molécula em um recipiente de gás. Ao dividir o recipiente em duas metades e abrir e fechar a pequena porta entre as duas câmaras, o demônio permite apenas moléculas rápidas em uma direção e apenas lentas na outra.
As ações do demônio dividem o gás em quente e frio, concentrando sua energia e reduzindo a entropia total. Um gás antes inútil com uma certa temperatura média agora pode ser usado em uma máquina de calor.
Por muitos anos, Maxwell e outros se perguntaram como a lei da natureza poderia depender do conhecimento ou não da posição e velocidade das moléculas. Se a segunda lei da termodinâmica depende subjetivamente dessa informação, como pode ser uma verdade absoluta?
Relação da termodinâmica com a informação
Um século depois, o físico americano Charles Bennett, baseando-se no trabalho de Leo Szilard e Rolf Landauer, resolveu o paradoxo vinculando formalmente a termodinâmica à ciência da informação. Bennett argumentou que o conhecimento do demônio está armazenado em sua memória, e a memória deve ser apagada, o que requer trabalho.
Em 1961, Landauer calculou que, à temperatura ambiente, um computador precisa de pelo menos 2,9 x 10-21 joules para apagar um bit de informação armazenada. Em outras palavras, quando um demônio separa moléculas quentes e frias, reduzindo a entropia do gás, sua consciência consome energia, e a entropia total do sistema gás + demônio aumenta sem violar a segunda lei da termodinâmica.
A pesquisa mostrou que a informação é uma quantidade física - quanto mais informações você tem, mais trabalho pode extrair. O demônio de Maxwell cria trabalho com gás em uma temperatura, porque ele tem muito mais informações do que um observador comum.
Demorou mais meio século e o apogeu da teoria da informação quântica, um campo nascido da busca do computador quântico, para que os físicos estudassem em detalhes as implicações surpreendentes da ideia de Bennett.
Durante a última década, os físicos assumiram que a energia viaja de objetos quentes para objetos frios devido a uma determinada maneira pela qual a informação se propaga entre as partículas.
De acordo com a teoria quântica, as propriedades físicas das partículas são probabilísticas e as partículas podem estar em uma superposição de estados. Quando eles interagem, eles ficam emaranhados combinando as distribuições de probabilidade que descrevem seus estados.
A posição central da teoria quântica é a afirmação de que as informações nunca são perdidas, ou seja, o estado atual do Universo retém todas as informações sobre o passado. No entanto, com o tempo, à medida que as partículas interagem e se tornam cada vez mais emaranhadas, as informações sobre seus estados individuais são misturadas e distribuídas entre mais e mais partículas.
A xícara de café esfria até a temperatura ambiente, porque quando as moléculas do café colidem com as do ar, a informação que codifica a energia do café vaza, é transmitida para o ar circundante e é perdida nele.
No entanto, entender a entropia como uma medida subjetiva permite que o Universo como um todo se desenvolva sem perda de informações. Mesmo quando a entropia de partes do Universo, por exemplo, partículas de gás, café, leitores N + 1, cresce conforme sua informação quântica é perdida no Universo, a entropia global do Universo sempre permanece zero.
Motores quânticos de calor
Como, agora, usando uma compreensão mais profunda da termodinâmica quântica, para construir uma máquina de calor?
Em 2012, o Centro Europeu de Pesquisa Tecnológica para Termodinâmica Quântica foi estabelecido e atualmente emprega mais de 300 cientistas e engenheiros.
A equipe do centro espera investigar as leis que regem as transições quânticas em motores quânticos e refrigeradores que podem algum dia resfriar computadores ou serem usados em painéis solares, bioengenharia e outras aplicações.
Os pesquisadores já entendem muito melhor do que antes do que os motores quânticos são capazes.
Uma máquina de calor é um dispositivo que usa um fluido de trabalho quântico e dois reservatórios em diferentes temperaturas (aquecedor e resfriador) para extrair o trabalho. Trabalho é a transferência de energia do motor para algum mecanismo externo sem alterar a entropia do mecanismo.
Por outro lado, o calor é a troca de energia entre o fluido de trabalho e o reservatório, o que altera a entropia do reservatório. Com uma conexão fraca entre o reservatório e o fluido de trabalho, o calor está associado à temperatura e pode ser expresso como dQ = TdS, onde dS é a mudança na entropia do reservatório.
Em um motor térmico quântico elementar, o fluido de trabalho consiste em uma partícula. Tal motor satisfaz a segunda lei e, portanto, também é limitado pelo limite de eficiência de Carnot.
Quando o meio de trabalho é colocado em contato com o reservatório, a população dos níveis de energia muda no meio de trabalho. A propriedade definidora do reservatório é sua capacidade de levar o fluido de trabalho a uma determinada temperatura, independentemente do estado inicial do corpo.
Nesse caso, a temperatura é um parâmetro do estado quântico do sistema, e não um macroparâmetro, como na termodinâmica clássica: podemos falar de temperatura como a população de níveis de energia.
No processo de troca de energia com o reservatório, o corpo também troca entropia, portanto, a troca de energia nesta fase é considerada uma transferência de calor.
Por exemplo, considere o ciclo de Otto quântico, no qual um sistema de dois níveis atuará como um fluido de trabalho. Em tal sistema, existem dois níveis de energia, cada um dos quais pode ser povoado; deixe a energia do nível do solo ser E 1, e o nível excitado E 2. O ciclo de Otto consiste em 4 estágios:
I. A distância entre os níveis E 1 e E 2 aumenta e torna-se Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Há contato com o aquecedor, o sistema se aquece, ou seja, o nível de energia superior é povoado e a entropia do fluido de trabalho muda. Essa interação dura tempo τ 1.
III. Existe uma compressão entre os níveis E 1 e E 2, ou seja, há trabalho no sistema, agora as distâncias entre os níveis são Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. O corpo é colocado em contato com a geladeira por um tempo τ 2, o que lhe dá a oportunidade de relaxar, de esvaziar o nível superior. O nível inferior agora está totalmente preenchido.
Aqui não podemos dizer nada sobre a temperatura do fluido de trabalho, apenas as temperaturas do aquecedor e do refrigerador são importantes. O trabalho perfeito pode ser escrito como:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
onde p 0 (1) é a probabilidade de que o fluido de trabalho estava no estado fundamental (excitado). A eficiência deste motor quântico de quatro tempos é η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Ciclo de Otto em um sistema quântico de dois níveis.
Por exemplo, é possível construir um motor quântico no qual um qubit supercondutor desempenha o papel de um fluido de trabalho, e dois resistores normais com resistências diferentes são usados como um aquecedor e uma geladeira.
Esses resistores geram ruído que possui uma temperatura característica: grande ruído - aquecedor, refrigerador pequeno.
O funcionamento correto de tal motor foi demonstrado no trabalho de cientistas da Universidade Aalto, na Finlândia.
Na implementação do ciclo de Otto, a diferença entre os níveis de energia pode ser modulada com um fluxo magnético constante, ou seja, "comprimir" ou "expandir" os níveis, e o acionamento da interação com os reservatórios foi obtido de forma excelente por curtos sinais de microondas.
Em 2015, cientistas da Universidade Hebraica de Jerusalém calcularam que esses motores quânticos poderiam superar seus equivalentes clássicos.
Esses motores probabilísticos ainda seguem a fórmula de Carnot para eficiência em termos de quanto trabalho eles podem extrair da energia que passa entre os corpos quentes e frios. Mas eles são capazes de recuperar o trabalho muito mais rápido.
Um motor de íon único foi experimentalmente demonstrado e apresentado em 2016, embora não usasse efeitos quânticos para amplificar a potência.
Recentemente, foi construída uma máquina térmica quântica baseada em ressonância magnética nuclear, cuja eficiência ficou muito próxima do ηCarnot ideal.
Os motores de calor quânticos também podem ser usados para resfriar sistemas grandes e microscópicos, como qubits em um computador quântico.
Resfriar um microssistema significa diminuir as populações em níveis excitados e diminuir a entropia. Isso pode ser feito por meio dos mesmos ciclos termodinâmicos envolvendo o aquecedor e a geladeira, mas funcionando na direção oposta.
Em março de 2017, foi publicado um artigo no qual, usando a teoria da informação quântica, foi derivada a terceira lei da termodinâmica - uma afirmação sobre a impossibilidade de atingir a temperatura zero absoluta.
Os autores do artigo mostraram que a limitação da taxa de resfriamento, que impede o alcance do zero absoluto, decorre da limitação da rapidez com que as informações podem ser bombeadas para fora das partículas em um objeto de tamanho finito.
O limite de velocidade tem muito a ver com a capacidade de resfriamento dos refrigeradores quânticos.
O futuro dos motores quânticos
Em breve veremos o apogeu das tecnologias quânticas, e então os motores térmicos quânticos podem ajudar muito.
Não adianta usar um refrigerador de cozinha para resfriar microssistemas devido ao seu funcionamento errático - em média, a temperatura nele é baixa, mas localmente pode atingir valores inaceitáveis.
Devido à estreita conexão da termodinâmica quântica com a informação, somos capazes de usar nosso conhecimento (informação) para realizar trabalho local - por exemplo, implementar o demônio quântico Maxwell usando sistemas multiníveis para resfriar (purificar o estado) de qubits em um computador quântico.
No que diz respeito aos motores quânticos em escala maior, é muito cedo para argumentar que tal motor substituirá um motor de combustão interna. Até agora, os motores de um átomo têm eficiência muito baixa.
No entanto, é intuitivamente claro que ao usar um sistema macroscópico com vários graus de liberdade, poderemos extrair apenas uma pequena parte do trabalho útil, porque tal sistema pode ser controlado apenas em média. No conceito de motores quânticos, torna-se possível controlar os sistemas de forma mais eficiente.
No momento, existem muitas questões teóricas e de engenharia na ciência dos motores térmicos em nanoescala. Por exemplo, as flutuações quânticas são um grande problema, que podem criar "fricção quântica", introduzindo entropia extra e reduzindo a eficiência do motor.
Físicos e engenheiros estão agora trabalhando ativamente no controle ideal do fluido de trabalho quântico e na criação de um nanoaquecedor e nano resfriador. Mais cedo ou mais tarde, a física quântica nos ajudará a criar uma nova classe de dispositivos úteis.
Mikhail Perelstein
