Выводы, опубликованные в Nature Communications, могут найти широкое применение в малых системах, от наноразмерных двигателей и квантовых технологий до биологических моторов и систем, функционирующих в организме.
Законы термодинамики управляют большой частью мира вокруг нас — чашка горячего чая в холодном помещении скорее остынет, чем нагреется; они говорят нам, что если мы не будем аккуратны, наши дома скорее замусорятся, чем уберутся. Они также подсказывают нам, как эффективней сделать двигатель внутреннего сгорания.
Современные законы термодинамики применимы только к крупным объектам, в которые вовлечено множество частиц. Законы термодинамики для небольших систем не до конца понятны, но именно они отвечают за процесс строительства молекулярных моторчиков и квантовых компьютеров, кроме того, определяют эффективность извлечения энергии в процессе фотосинтеза.
В своей работе ученые использовали результаты квантовой теории информации для адаптации законов термодинамики под малые системы: микроскопические двигатели, квантовые технологии и наноустройства, рассказывает hi-news.ru.
Малые системы ведут себя по-разному в крупных системах, состоящих из множества частиц. И когда система становится слишком малой, в игру вступают квантовые эффекты. Исследователи обнаружили набор законов, определяющих поведение микроскопических систем, когда мы нагреваем их или охлаждаем. Важным следствием из закона стала более фундаментальная необратимость в малых системах, а значит, микроскопические двигатели внутреннего сгорания не могут быть столь же эффективными, как их более крупные коллеги.
«Мы видим, что природа накладывает принципиальные ограничения на извлечение энергии из микроскопических систем и тепловых двигателей. Квантовый тепловой двигатель будет не таким эффективным, как макроскопический, и частенько будет отключаться», — сообщил профессор Оппенгейм из Исследовательского университета королевского сообщества. — «Ограничения накладываются как на конечные размерные эффекты, так и на квантовые».
Исследователи изучили эффективность микроскопического теплового двигателя и выяснили, что одна из базовых величин в термодинамике, свободная энергия, не определяет, что может произойти в малых системах, и особенно в квантово-механической системе. Вместо этого микроскопической системой управляет несколько новых свободных энергий.
В крупной системе, если вы введете чистую энергию в систему, вы получите всю энергию назад и сможете питать механизм, который покажет стабильную работу (вроде подъема тяжелого веса). Однако исследователи выяснили, что в микроскопических системах все не так. Если вы введете работу в квантовую систему, вы вообще не получите ее обратно.
Профессор Михал Городецки из Гданьского университета, соавтор работы, сообщает: «Термодинамика в микроскопических масштабах принципиально необратима. Она разительно отличается от крупных систем, где все термодинамические процессы могут быть обратимы, если мы достаточно медленно будем менять систему».
Для справки, традиционно считается, что термодинамика основывается на четырёх законах (началах), которые сформулированы на основе экспериментальных данных:
0-й закон — нулевое начало термодинамики: Постулирует существование термодинамического равновесия и вводит понятие абсолютной температуры.
1-й закон — первое начало термодинамики: Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов.
2-й закон — второе начало термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона.
3-й закон — третье начало термодинамики: Теорема Нернста: энтропия любой равновесной системы при абсолютном нуле температуры всегда равна нулю (традиционная формулировка). По данным Wikipedia.org.
