Les gens ont appris à construire des moteurs à combustion interne très puissants, mais ils n'ont pas appris l'essentiel - une augmentation significative de leur efficacité. La limite de ce chemin est fixée par la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie d'un système augmente inévitablement. Mais est-il possible de dépasser cette limite à l'aide de la physique quantique? Il s'est avéré que c'était possible, mais pour cela, il fallait comprendre que l'entropie est subjective et que la chaleur et le travail sont loin d'être les seules formes d'énergie possibles. Pour plus d'informations sur ce que sont les moteurs quantiques, comment ils sont disposés et ce dont ils sont capables, lisez notre matériel.
Depuis 300 ans de développement de la technologie de calcul, de conception et de construction de moteurs, le problème de la création d'une machine avec un facteur de rendement élevé n'a pas été résolu, bien qu'il soit critique pour de nombreux domaines de la science et de la technologie.
La physique quantique, découverte au début du XXe siècle, nous a déjà offert de nombreuses surprises dans le monde de la technologie: théorie atomique, semi-conducteurs, lasers et, enfin, ordinateurs quantiques. Ces découvertes sont basées sur les propriétés inhabituelles des particules subatomiques, à savoir les corrélations quantiques entre elles - une manière purement quantique d'échanger des informations.
Et il semble que la physique quantique soit à nouveau prête à nous surprendre: des années de développement de la thermodynamique quantique ont permis aux physiciens de montrer que les moteurs thermiques quantiques peuvent avoir un rendement élevé à petite échelle, inaccessibles aux machines classiques.
Jetons un coup d'œil à ce qu'est la thermodynamique quantique, au fonctionnement des moteurs thermiques, aux améliorations apportées par la physique quantique et à ce qui doit être fait pour créer un moteur efficace du futur.
Moteurs thermiques classiques
Dans son livre de 1824, Réflexions sur la force motrice du feu, l'ingénieur français de 28 ans Sadi Carnot a compris comment les moteurs à vapeur peuvent efficacement convertir la chaleur en travail qui fait bouger un piston ou une roue.
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À la surprise de Carnot, l'efficacité d'un moteur idéal ne dépendait que de la différence de température entre la source de chaleur du moteur (un radiateur, généralement un feu) et un dissipateur de chaleur (un réfrigérateur, généralement de l'air ambiant).
Carnot s'est rendu compte que le travail est un sous-produit de la transition naturelle de la chaleur d'un corps chaud à un corps froid.
Le schéma de travail du moteur thermique.
Dans les moteurs thermiques, le cycle suivant est utilisé. La chaleur Q 1 est fournie par le radiateur à température t 1 au fluide de travail, une partie de la chaleur Q 2 est évacuée vers le réfrigérateur à température t 2, t 1> t 2.
Le travail effectué par le moteur thermique est égal à la différence entre la chaleur fournie et la chaleur évacuée: A = Q 1 - Q 2, et le rendement η sera égal à η = A / Q 1.
Carnot a montré que le rendement de tout moteur thermique ne peut excéder le rendement d'un moteur thermique idéal fonctionnant dans son cycle avec les mêmes températures du chauffage et du réfrigérateur ηCarnot = (t 1 - t 2) / t 1. La création d'un moteur thermique efficace est l'approximation maximale du réel Rendement η à ηCarnot idéal.
Sadi Carnot mourut du choléra huit ans plus tard - avant de voir comment, déjà au XIXe siècle, sa formule d'efficacité se transformait en théorie de la thermodynamique classique - un ensemble de lois universelles liant température, chaleur, travail, énergie et entropie.
La thermodynamique classique décrit les propriétés statistiques des systèmes en réduisant les microparamètres, tels que les positions et les vitesses des particules, en macroparamètres: température, pression et volume. Les lois de la thermodynamique se sont avérées applicables non seulement aux moteurs à vapeur, mais aussi au Soleil, aux trous noirs, aux êtres vivants et à tout l'Univers.
Cette théorie est si simple et générale qu'Albert Einstein a cru qu'elle «ne sera jamais renversée». Cependant, dès le début, la thermodynamique a occupé une position extrêmement étrange parmi les autres théories de l'univers.
«Si les théories physiques étaient humaines, la thermodynamique serait une sorcière de village», écrivait la physicienne Lydia del Rio il y a quelques années. "D'autres théories la trouvent étrange, différente des autres, mais tout le monde lui demande conseil et personne n'ose la contredire."
La thermodynamique n'a jamais prétendu être une méthode universelle pour analyser le monde qui nous entoure; c'est plutôt un moyen d'utiliser efficacement ce monde.
La thermodynamique nous indique comment tirer le meilleur parti des ressources telles que le gaz chaud ou le métal magnétisé pour atteindre des objectifs spécifiques, qu'il s'agisse de déplacer un train ou de formater un disque dur.
Sa polyvalence vient du fait qu'il n'essaie pas de comprendre les détails microscopiques des systèmes individuels, mais se soucie seulement de déterminer quelles opérations sont faciles à mettre en œuvre dans ces systèmes et lesquelles sont difficiles.
Cette approche peut sembler étrange aux scientifiques, mais elle est activement utilisée en physique, en informatique, en économie, en mathématiques et dans de nombreux autres endroits.
L'une des caractéristiques les plus étranges d'une théorie est la subjectivité de ses règles. Par exemple, un gaz composé de particules ayant la même température en moyenne présente des différences de température microscopiques après une inspection plus approfondie.
Ces dernières années, une compréhension révolutionnaire de la thermodynamique a émergé, expliquant cette subjectivité à travers la théorie de l'information quantique, qui décrit la propagation de l'information à travers les systèmes quantiques.
Tout comme la thermodynamique est née à l'origine de tentatives d'amélioration des moteurs à vapeur, la thermodynamique moderne décrit le fonctionnement de machines déjà quantiques - des nanoparticules.
Pour une description correcte, nous sommes obligés d'étendre la thermodynamique à la région quantique, où des concepts tels que la température et le travail perdent leur sens habituel, et les lois classiques de la mécanique cessent de fonctionner.
Thermodynamique quantique
La naissance de la thermodynamique quantique
Dans une lettre datée de 1867 à son collègue écossais Peter Tate, le célèbre physicien James Clark Maxwell a formulé le fameux paradoxe, faisant allusion au lien entre la thermodynamique et l'information.
Le paradoxe concernait la deuxième loi de la thermodynamique - la règle selon laquelle l'entropie augmente toujours. Comme Sir Arthur Eddington l'a noté plus tard, cette règle «occupe une position dominante parmi les lois de la nature».
Selon la deuxième loi, l'énergie devient plus désordonnée et moins utile lorsqu'elle se déplace des corps chauds aux corps froids et les différences de température diminuent.
Et comme on se souvient de la découverte de Carnot, un corps chaud et froid est nécessaire pour faire un travail utile. Les incendies s'éteignent, les tasses à café du matin se refroidissent et l'univers se précipite vers un état de température uniforme connu sous le nom de mort par la chaleur de l'univers.
Le grand physicien autrichien Ludwig Boltzmann a montré que l'augmentation de l'entropie est une conséquence des lois de la statistique mathématique ordinaire: il existe bien plus de façons de répartir uniformément l'énergie entre les particules que pour sa concentration locale. Lorsque les particules se déplacent, elles tendent naturellement vers des états d'entropie plus élevés.
Mais la lettre de Maxwell décrit une expérience de pensée dans laquelle un certain être éclairé - appelé plus tard le démon de Maxwell - utilise ses connaissances pour réduire l'entropie et violer la deuxième loi.
Le démon tout-puissant connaît la position et la vitesse de chaque molécule dans un conteneur de gaz. En divisant le récipient en deux moitiés et en ouvrant et fermant la petite porte entre les deux chambres, le démon ne laisse passer que les molécules rapides dans un sens et seulement les lentes dans l'autre.
Les actions du démon divisent le gaz en chaud et en froid, concentrant son énergie et réduisant l'entropie totale. Un gaz autrefois inutile avec une certaine température moyenne peut maintenant être utilisé dans un moteur thermique.
Pendant de nombreuses années, Maxwell et d'autres se sont demandé comment la loi de la nature pouvait dépendre de la connaissance ou non de la position et de la vitesse des molécules. Si la deuxième loi de la thermodynamique dépend subjectivement de cette information, alors comment peut-elle être la vérité absolue?
Relation de la thermodynamique à l'information
Un siècle plus tard, le physicien américain Charles Bennett, s'appuyant sur les travaux de Leo Szilard et Rolf Landauer, résout le paradoxe en liant formellement la thermodynamique à la science de l'information. Bennett a soutenu que les connaissances du démon sont stockées dans sa mémoire et que la mémoire doit être effacée, ce qui nécessite du travail.
En 1961, Landauer a calculé qu'à température ambiante, un ordinateur a besoin d'au moins 2,9 x 10-21 joules pour effacer un bit d'informations stockées. En d'autres termes, lorsque le démon sépare les molécules chaudes et froides, réduisant l'entropie du gaz, sa conscience consomme de l'énergie, et l'entropie totale du système gaz + démon augmente sans violer la deuxième loi de la thermodynamique.
La recherche a montré que l'information est une quantité physique - plus vous avez d'informations, plus vous pouvez extraire de travail. Le démon de Maxwell crée un travail à partir de gaz à une température, car il a beaucoup plus d'informations qu'un observateur ordinaire.
Il a fallu encore un demi-siècle et l'apogée de la théorie de l'information quantique, un domaine né de la poursuite de l'ordinateur quantique, pour que les physiciens étudient en détail les implications surprenantes de l'idée de Bennett.
Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont supposé que l'énergie se déplaçait des objets chauds aux objets froids en raison d'une certaine manière de propager l'information entre les particules.
Selon la théorie quantique, les propriétés physiques des particules sont probabilistes et les particules peuvent être dans une superposition d'états. Lorsqu'ils interagissent, ils s'entremêlent en combinant les distributions de probabilité décrivant leurs états.
La position centrale de la théorie quantique est l'affirmation selon laquelle l'information n'est jamais perdue, c'est-à-dire que l'état présent de l'Univers conserve toutes les informations sur le passé. Cependant, au fil du temps, à mesure que les particules interagissent et deviennent de plus en plus enchevêtrées, les informations sur leurs états individuels sont mélangées et distribuées entre de plus en plus de particules.
La tasse de café refroidit à la température ambiante, car lorsque les molécules de café entrent en collision avec les molécules d'air, les informations qui codent l'énergie du café s'échappent, sont transmises à l'air ambiant et y sont perdues.
Cependant, comprendre l'entropie comme une mesure subjective permet à l'Univers dans son ensemble de se développer sans perte d'information. Même lorsque l'entropie de certaines parties de l'Univers, par exemple, les particules de gaz, le café, N + 1 lecteurs, augmente à mesure que leurs informations quantiques sont perdues dans l'Univers, l'entropie globale de l'Univers reste toujours nulle.
Moteurs thermiques quantiques
Comment, maintenant, en utilisant une compréhension plus approfondie de la thermodynamique quantique, pour construire un moteur thermique?
En 2012, le Centre européen de recherche technologique pour la thermodynamique quantique a été créé et emploie actuellement plus de 300 scientifiques et ingénieurs.
L'équipe du centre espère étudier les lois régissant les transitions quantiques dans les moteurs quantiques et les réfrigérateurs qui pourraient un jour refroidir les ordinateurs ou être utilisées dans les panneaux solaires, la bio-ingénierie et d'autres applications.
Les chercheurs comprennent déjà bien mieux qu'avant ce dont les moteurs quantiques sont capables.
Un moteur thermique est un appareil qui utilise un fluide de travail quantique et deux réservoirs à différentes températures (réchauffeur et refroidisseur) pour extraire le travail. Le travail est le transfert d'énergie du moteur vers un mécanisme externe sans changer l'entropie du mécanisme.
D'autre part, la chaleur est l'échange d'énergie entre le fluide de travail et le réservoir, qui modifie l'entropie du réservoir. Avec une connexion faible entre le réservoir et le fluide de travail, la chaleur est associée à la température et peut être exprimée par dQ = TdS, où dS est le changement de l'entropie du réservoir.
Dans un moteur thermique quantique élémentaire, le fluide de travail est constitué d'une seule particule. Un tel moteur satisfait à la deuxième loi et est donc également limité par la limite d'efficacité de Carnot.
Lorsque le fluide de travail est mis en contact avec le réservoir, la population des niveaux d'énergie change dans le fluide de travail. La propriété déterminante du réservoir est sa capacité à amener le fluide de travail à une température donnée, quel que soit l'état initial du corps.
Dans ce cas, la température est un paramètre de l'état quantique du système, et non un macroparamètre, comme en thermodynamique classique: on peut parler de température comme de la population de niveaux d'énergie.
Dans le processus d'échange d'énergie avec le réservoir, le corps échange également de l'entropie; par conséquent, l'échange d'énergie à ce stade est considéré comme un transfert de chaleur.
Par exemple, considérons le cycle quantique d'Otto, dans lequel un système à deux niveaux agira comme un fluide de travail. Dans un tel système, il existe deux niveaux d'énergie, dont chacun peut être peuplé; soit l'énergie du niveau du sol E 1, et le niveau excité E 2. Le cycle d'Otto se compose de 4 étapes:
I. La distance entre les niveaux E 1 et E 2 augmente et devient Δ 1 = E 1 - E 2.
II. Il y a contact avec le réchauffeur, le système chauffe, c'est-à-dire que le niveau d'énergie supérieur est peuplé et l'entropie du fluide de travail change. Cette interaction dure le temps τ 1.
III. Il y a une compression entre les niveaux E 1 et E 2, c'est-à-dire qu'il y a du travail sur le système, maintenant les distances entre les niveaux sont Δ 2 = E 1 - E 2.
IV. Le corps est mis en contact avec le réfrigérateur pendant un temps τ 2, ce qui lui donne la possibilité de se détendre, de vider le niveau supérieur. Le niveau inférieur est maintenant entièrement rempli.
Ici, nous ne pouvons rien dire sur la température du fluide de travail, seules les températures du radiateur et du réfrigérateur comptent. Le travail parfait peut être écrit comme suit:
dW = (p 0 (τ 1) - p 1 (τ 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
où p 0 (1) est la probabilité que le fluide de travail soit à l'état sol (excité). Le rendement de ce moteur quantique à quatre temps est de η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Cycle d'Otto sur un système quantique à deux niveaux.
Par exemple, il est possible de construire un moteur quantique dans lequel un qubit supraconducteur joue le rôle d'un fluide de travail, et deux résistances normales avec des résistances différentes sont utilisées comme appareil de chauffage et comme réfrigérateur.
Ces résistances génèrent un bruit qui a une température caractéristique: gros bruit - chauffage, petit - réfrigérateur.
Le fonctionnement correct d'un tel moteur a été montré dans les travaux de scientifiques de l'Université Aalto en Finlande.
Dans la mise en œuvre du cycle d'Otto, la différence entre les niveaux d'énergie peut être modulée avec un flux magnétique constant, c'est-à-dire «presser» ou «étendre» les niveaux, et l'activation de l'interaction avec les réservoirs a été parfaitement obtenue par des signaux micro-ondes courts.
En 2015, des scientifiques de l'Université hébraïque de Jérusalem ont calculé que ces moteurs quantiques pourraient surpasser leurs homologues classiques.
Ces moteurs probabilistes suivent toujours la formule Carnot d'efficacité en termes de quantité de travail qu'ils peuvent extraire de l'énergie passant entre les corps chauds et froids. Mais ils sont capables de récupérer le travail beaucoup plus rapidement.
Un moteur mono-ion a été démontré expérimentalement et présenté en 2016, bien qu'il n'ait pas utilisé d'effets quantiques pour amplifier la puissance.
Récemment, un moteur thermique quantique basé sur la résonance magnétique nucléaire a été construit, dont le rendement était très proche du ηCarnot idéal.
Les moteurs thermiques quantiques peuvent également être utilisés pour refroidir à la fois de grands systèmes et des systèmes microscopiques, tels que des qubits dans un ordinateur quantique.
Refroidir un microsystème signifie diminuer les populations à des niveaux excités et diminuer l'entropie. Cela peut être fait à travers les mêmes cycles thermodynamiques impliquant le chauffage et le réfrigérateur, mais fonctionnant dans la direction opposée.
En mars 2017, un article a été publié dans lequel, en utilisant la théorie de l'information quantique, la troisième loi de la thermodynamique a été dérivée - une déclaration sur l'impossibilité d'atteindre la température zéro absolue.
Les auteurs de l'article ont montré que la limitation de la vitesse de refroidissement, qui empêche l'atteinte du zéro absolu, découle de la limitation de la rapidité avec laquelle l'information peut être pompée hors des particules dans un objet de taille finie.
La limite de vitesse a beaucoup à voir avec les capacités de refroidissement des réfrigérateurs quantiques.
L'avenir des moteurs quantiques
Bientôt, nous verrons l'apogée des technologies quantiques, puis les moteurs thermiques quantiques peuvent beaucoup aider.
Il ne fonctionnera pas d'utiliser un réfrigérateur de cuisine pour refroidir les microsystèmes en raison de son fonctionnement erratique - en moyenne, la température y est basse, mais localement, elle peut atteindre des valeurs inacceptables.
En raison du lien étroit entre la thermodynamique quantique et l'information, nous sommes en mesure d'utiliser nos connaissances (informations) pour effectuer un travail local - par exemple, pour implémenter le démon quantique Maxwell en utilisant des systèmes à plusieurs niveaux pour refroidir (purifier l'état) des qubits dans un ordinateur quantique.
En ce qui concerne les moteurs quantiques à plus grande échelle, il est trop tôt pour affirmer qu'un tel moteur remplacera un moteur à combustion interne. Jusqu'à présent, les moteurs à un seul atome ont un rendement trop faible.
Cependant, il est intuitivement clair qu'en utilisant un système macroscopique avec de nombreux degrés de liberté, nous ne pourrons extraire qu'une petite partie du travail utile, car un tel système ne peut être contrôlé qu'en moyenne. Dans le concept des moteurs quantiques, il devient possible de contrôler les systèmes plus efficacement.
À l'heure actuelle, il existe de nombreux problèmes théoriques et techniques dans la science des moteurs thermiques à l'échelle nanométrique. Par exemple, les fluctuations quantiques sont un gros problème, ce qui peut créer un "frottement quantique", introduisant une entropie supplémentaire et réduisant l'efficacité du moteur.
Les physiciens et les ingénieurs travaillent actuellement activement sur le contrôle optimal du fluide de travail quantique et la création d'un nano-réchauffeur et d'un nano-refroidisseur. Tôt ou tard, la physique quantique nous aidera à créer une nouvelle classe d'appareils utiles.
Mikhail Perelstein
