Японские исследователи из Токийского института нашли способ преодолеть традиционные термодинамические ограничения, такие как КПД Карно, используя не термализированные квантовые состояния .
В своей работе ученые предлагают использовать нетермическую жидкость Томонаги-Латтинжератеоретическая модель, описывающая взаимодействие электронов (или других фермионов) в одномерном проводнике (например, квантовых проводах, таких как углеродные нанотрубки) для преобразования отводимого тепла в электрическую энергию с большей эффективностью по сравнению с традиционными системами.
Современные технологии сбора энергии представляют собой устройства, собирающие энергию из окружающей среды, повышая эффективность современной электроники и промышленных процессов. Отходящее тепло непрерывно генерируется компьютерами, смартфонами, промышленным оборудованием, мощными энергетическими системами. Сбор этой энергии позволяет использовать тепло вместо того, чтобы оно было потеряно, и превращать в электричество.
Традиционные системы сбора энергии ограничены фундаментальными принципами термодинамики. Системы, работающие в состоянии теплового равновесия, имеют строгие ограничения на количество тепла, которое можно превратить в электроэнергию. Отношение между произведенной энергией и полученным отводимым теплом определяется коэффициентом Карно. Дополнительные ограничения, в частности, КПД Керзона-Альборна — (КПД при максимальной выходной мощности), еще больше ограничивают количество энергии, которое можно получить из отводимого тепла.
Исследователи под руководством профессора Тосимаси Фудзисавы с кафедры физики Токийского научного института заявляют, что нашли способ обойти эти ограничения. Вместо традиционных тепловых состояний ученые использовали свойства нетепловой жидкости Томонаги-Латтинжера. Эта особая одномерная электронная система вследствие уникальных квантовых свойств не стремится к тепловому равновесию. Это означает, что при подаче тепла система сохраняет нетепловое, высокоэнергетическое состояние, а не распределяет энергию равномерно, как в традиционных тепловых циклах.
Для демонстрации потенциала концепции исследователи провели эксперимент. Они инжектировали тепло, отводимое от квантового точечного резистора — устройства, управляющего потоком электронов, в термоэлектрическую жидкость. Это тепло переносилось на несколько микрометров в тепловой двигатель на квантовых точках — микроскопическое устройство, преобразующее тепло в электричество с помощью квантовых эффектов.
Ученые убедились, что нетрадиционный источник тепла производил значительно более высокое электрическое напряжение и достигал большей эффективности преобразования.
«Эти результаты побуждают нас использовать термоэлектрические жидкости как нетепловой источник энергии для новых систем сбора энергии», — отмечает Тосимаса Фудзисава.
Исследователи разработали модель, основанную на бинарной функции распределения Ферми для нетепловых электронных состояний и использовали ее в предложенной системе. Ученые продемонстрировали, что их метод превосходит не только КПД Карно, но и КПД Керзона-Альборна.
«Наши результаты показывают, что тепло от квантовых компьютеров и электронных устройств можно превратить в полезную энергию с помощью высокопроизводительного сбора энергии», — подчеркивает Тосимаса Фудзисава.
Стоит отметить, что КПД Карно представляет собой максимально возможный КПД для любой тепловой системы, работающей в условиях постоянной температуры нагревателя T1 и охладителя T2. Поскольку идеальные процессы могут осуществляться лишь с очень малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может равняться нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно с теми же температурами нагревателя и охладителя.
Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics
Источник: SciTechDaily
https://itc.ua/news/kvantovaya-energetyka-sposobna-obojty-tsykl-karno-po-effektyvnosty-yssledovanye/
