В микроскопических системах не работает привычная нам термодинамика

1 Июля 2013, Илья Хель 14

Фракталы

Наше современное понимание термодинамики может оказаться в корне неправильным, если его применять к малым системам. По данным нового исследования из Университетского колледжа Лондона и Университета Гданьска, наше понимание следует изменить. Совместная работа ученых постулирует новые законы активно развивающейся квантовой термодинамики.

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.

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».

14 комментариев Оставить свой

  1. bor731

    Илья, слишком сложная тема, да же я находясь под небольшим допингом не могу или не хочу это не суть важно. Единственное что могу посоветовать это дождаться Ванька может он что то ляпнет.

    • Takasaki

      bor731, Ты меня конечно прости, но твои "даже я" звучат слишком самоуверенно.

      • bor731

        Takasaki, Прощаю пусть будет мы.

      • bor731

        Takasaki, кстати ( я ) последняя буква алфавита, так что манией величия я не страдаю. さようなら

    • Владимир

      bor731, Бор. Такое ощущение что у тебя физики в универе не было. Что тут непонятного? Не учили 2ой закон термодинамики про закон сохранения энергии в макросистемах? Не рассказывали про "вечные двигатели"?

      • bor731

        Владимир, Владимир,Такое ощущение что ты, только что вышел с кафедры, где рассказывали про второй закон, пятую статью и одиннадцатый подпункт, но тебе и этого мало, ты ещё одновременно читал с планшета или с ноута, не знаю что у тебя там, про закон сохранения энергии в макросистемах. Так тебе, и этого мало, ты ещё и мечтал об не осуществимой мечте об вечном двигателе.Теперь отвечу за себя, я бывает что не помню, что вчера было, а ты мне про законы.Скажу проще, где я, и где физика с её законами, всё спасибо за внимание.

  2. galerynews.net

    Интересно, впервые узнала об особенностях малых систем!
    Жаль, только информации чрезвычайно мало...

  3. vato35

    Прикол в том, что в наносистемах не работает закон сохранения энергии - он преобразуется в квантовый закон сохранения информации :)

    • Аноним

      vato35, Очень верное замечание, являющееся следствием из закона сохранения информации, более общего, чем закон сохранения энергии. Нарастающая энтропия энергии вселенной компенсируется убывание энтропия информации. Все просто!

      • аноним

        Аноним, без меня разберётесь?

        • Newser

          аноним, ну как обычно ...

        • tray

          аноним, Объясни про убывание энтропии информации, так сразу хрена с два разберёшься в ней.

    • Владимир

      vato35, Не стоит так однозначно об этом говорить - вы можете "не получить" ее обратно так же как и получить. Здесь просто нет стабильности, причем здесь 100% трансформация.

      Квантовый мир если просто то это "мир женской логики", там все работает про принципу потому что было такое настроение ;)
      Здесь все "происходит" как говорилось в одной старой будисткой притче - НЕУЖЕЛИ МОЖЕТ ПРОИЗОЙТИ ВСЕ ЧТО УГОДНО? ДА, ИМЕННО ТАК!

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.