Нужно ли стремиться сделать двигатель по параметрам как можно ближе к идеальному тепловому двигателю

Обновлено: 07.07.2024

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ' c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A = Q n - Q ' c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ' c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n - Q ' c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ' n телу с наиболее высокой температурой с Q ' n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ' в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ' n A ' = Q ' n Q ' n - Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n - T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 - 2 , 4 - 3 ) и двух адиабат ( 2 - 3 , 4 - 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Q n = T n ( S 2 - S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 - 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты - Q c h , тогда:

- Q c h = T c h ( S 1 - S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 - 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η = T n ( S 2 - S 1 ) + T c h ( S 1 - S 2 ) T n ( S 2 - S 1 ) = T n - T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n - T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 - 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n - Q ' n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 - 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 - T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 - 4 , считается изохорным - Q 34 = Q ' c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 - T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 - T 1 + i 2 v R T 4 - T 3 i 2 v R T 2 - T 1 = T 2 - T 1 + T 4 - T 3 T 2 - T 1 = 1 - T 3 - T 4 T 2 - T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 - 3 :

T 2 V 1 γ - 1 = T 3 V 2 γ - 1 → T 2 = T 3 V 2 γ - 1 V 1 γ - 1 = T 3 n γ - 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 - 1 :

T 1 V 1 γ - 1 = T 3 V 2 γ - 1 → T 1 = T 4 V 2 γ - 1 V 1 γ - 1 = T 4 n γ - 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 - T 1 :

T 2 - T 1 = T 3 - T 4 n Г - 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 - T 3 - T 4 T 3 - T 4 n γ - 1 = 1 - 1 n γ - 1 = 1 - n 1 - γ ( 2 . 9 ) .

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Классические тепловые двигатели

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.

Схема работы теплового двигателя

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q₁ подводится из нагревателя с температурой t₁ к рабочему телу, часть тепла Q₂ отводится к холодильнику с температурой t₂, t₁ > t₂.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q₁ − Q₂, а КПД η будет равен η = A/Q₁.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника η_Carnot = (t₁ − t₂)/t₁. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному η_Carnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Квантовая термодинамика

Зарождение квантовой термодинамики

В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.

Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.

А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.

Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.

Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.

Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.

Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.

Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?

Связь термодинамики с информацией

Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.

В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10 -21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.

Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.

Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.

В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.

Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.

Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом. Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.

Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.

Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.

15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.

Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.

На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.

Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E₁, а возбужденного E₂. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

I. Расстояние между уровнями E₁ и E₂ увеличивается и становится Δ₁ = E₁ − E₂.

II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ₁.

III. Происходит сжатие между уровнями E₁ и E₂, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ₂ = E₁ − E₂.

IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ₂, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

где p₀₍₁₎ — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ₁/Δ₂.

Если сжатии газа происходит при той же температуре, то такое же количество теплоты передается холодильнику, и газ совершает работу A 2 .

Для получения полезной работы, необходимо, чтобы A 2 1 , т.е. сжатие газа должно происходить при более низкой температуре. Это возможно при использовании адиабатного процесса.

Французский инженер Сади Карно предложил следующий цикл, используя в качестве рабочего тела идеальный газ:

1. Газ изотермически расширяется при температуре Т 1 . Работа, совершаемая газом, равна количеству теплоты, полученной от нагревателя A 1,2 =Q 1 .

2. Газ продолжает расширяться адиабатно , совершая работу за счет уменьшения внутренней энергии газа A 2,3 =- D U 1 .

3. Газ изотермически сжимается внешними силами при температуре Т 2 без изменения внутренней энергии газа. При этом газ отдает холодильнику количество теплоты, равное работе внешних сил -Q 2 =A 3,4 .

4. Газ продолжает сжиматься внешними силами адиабатно . Внутренняя энергия растет, т.к. процесс идет без теплообмена с внешней средой A 4 , 1 = D U 2 .

Т.о., для осуществления циклического процесса устройство должно содержать не только нагреватель , но и холодильник . Полезный выход работы может быть получен только в процессе передачи тепла от горячего тела более холодному.

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Из формулы видно, что коэффициент полезного действия теплового двигателя h =1 , если Q 2 =0 . Но при этом двигатель не будет циклическим. Даже в идеальном случае Q 2 неравно 0 . Тогда второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

С. Карно доказал, что . Т.о. коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя (формула Карно)

Практически невозможно осуществить условия: T 1 стремится к бесконечности и Т 2 = 0 . Поэтому даже у идеального теплового двигателя h .

2. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя Т 1 и холодильника Т 2 , но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего тела.

Читайте также:


Шевроле нива накладки на арки своими руками

Как сделать фаршированную картошку с фаршем в духовке

Драйвер для двигателя жесткого диска своими руками

Обшивка пола автомобиля своими руками

Как открыть дверцу стиральной машины аристон маргарита 2000 своими руками