Przez blisko dwa stulecia zasada sformułowana przez francuskiego fizyka Sadi Carnota uchodziła za fundamentalne i nieprzekraczalne ograniczenie dla sprawności silników cieplnych. To prawo termodynamiki, opracowane w XIX wieku z myślą o maszynach parowych i innych urządzeniach makroskopowych, wydawało się stanowić ostateczną granicę możliwości inżynierskich. Jednak najnowsze badania naukowców z Uniwersytetu w Stuttgarcie rzucają inne światło na tę kwestię, sugerując że w mikroświecie atomów i cząstek elementarnych obowiązują zupełnie inne reguły.
Przełomowe odkrycie opisane w Science Advances wskazuje, że obiekty w skali atomowej, charakteryzujące się specyficznymi korelacjami fizycznymi, mogą osiągać sprawność przekraczającą klasyczne limity. To otwiera zupełnie nowe perspektywy dla projektowania miniaturowych urządzeń energetycznych.
Twierdzenie Carnota nie zawsze prawdziwe
Klasyczne twierdzenie Carnota, stanowiące integralną część drugiej zasady termodynamiki, przez dziesięciolecia wyznaczało nieprzekraczalny pułap wydajności dla konwencjonalnych silników. Określało maksymalną teoretyczną sprawność urządzeń pracujących pomiędzy zbiornikami o różnych temperaturach, stanowiąc podstawę dla projektowania turbin, silników spalinowych i innych systemów energetycznych. Problem pojawia się jednak, gdy opuszczamy świat makroskopowy i wkraczamy w dziedzinę zjawisk kwantowych.
Czytaj też: Reakcje chemiczne wbrew prawom fizyki. Zagadka rozwiązana po 9 latach
W skali atomowej klasyczna termodynamika nie uwzględnia istnienia korelacji kwantowych – szczególnych powiązań powstających między cząstkami w mikroskali. Te zjawiska, nieobecne w świecie dużych obiektów, fundamentalnie zmieniają zasady gry. Prof. Eric Lutz wraz z dr Miltonem Aguilarem z Instytutu Fizyki Teoretycznej opracowali uogólnione prawa termodynamiki, które w pełni uwzględniają te kwantowe zależności.
Ich badania pokazują, że maszyny termiczne działające w skali atomowej mogą przekształcać w pracę nie tylko energię cieplną, ale również same korelacje kwantowe. W praktyce oznacza to możliwość konstrukcji silników nie większych niż pojedynczy atom, które osiągałyby wyższą sprawność niż ich makroskopowe odpowiedniki.
Pomimo obiecujących perspektyw, droga od teorii do praktycznego wdrożenia jest zazwyczaj długa i pełna wyzwań. Teoretycznie nowe odkrycie mogłoby zrewolucjonizować projektowanie urządzeń w nanoskali, oferując dodatkowe źródło energii w postaci skorelowanych stanów kwantowych.
Eksperymenty kwantowe już teraz umożliwiają zmniejszanie rozmiarów silników cieplnych do skali mikroskopowej. Kolejnym logicznym krokiem byłoby praktyczne wykorzystanie nowo odkrytych praw termodynamiki do budowy funkcjonalnych urządzeń. Należy jednak pamiętać, że podobne przełomy naukowe często wymagają lat badań przed komercjalizacją.
Konsekwencje tych odkryć sięgają daleko poza fizykę teoretyczną. Lepsze zrozumienie praw rządzących światem atomowym mogłoby przyspieszyć rozwój technologii, które obecnie wydają się odległą przyszłością. Można sobie wyobrazić medyczne nanoboty zasilane wydajnymi silnikami kwantowymi, precyzyjnie dostarczające leki do określonych komórek czy naprawiające uszkodzenia na poziomie molekularnym.
Równie interesujące wydają się potencjalne zastosowania w przetwarzaniu materiałów na poziomie atomowym. Urządzenia sterowane przez miniaturowe silniki kwantowe mogłyby manipulować pojedynczymi atomami z niespotykaną dotąd precyzją, co otwierałoby nowe możliwości w inżynierii materiałowej i produkcji układów elektronicznych.