Тепловые двигатели повсюду — в паровых турбинах электростанций, что дают свет, двигателях внутреннего сгорания, на которых работают автомобили и двигатели, которые позволяют пассажирским самолетам летать в небе. Как правило, они весят много, нагреваются и охлаждаются очень долго. Физики в Германии изобрели тепловой двигатель, с использованием только одной частицы: иона кальция.
Ученые утверждают, что новое устройство предоставляет экспериментальные данные для «тихой революции» в статистической физике, используя изучение перетекания тепла как в микроскопических системах, так и на уровне повседневной жизни.
Тепловой двигатель преобразует энергию
Любой тепловой двигатель преобразует тепловую энергию (тепло) в механическую энергию (движение). Обычно газ делает механическую работу, такую как перемещение поршня. Затем выводит любое неиспользованное тепло в выхлопную трубу и радиатор. В последней работе, проводимой физиками Университета Майнца в Германии ион кальция представлял рабочую среду и поршень, электрические сигналы обеспечивали тепло, а лазерный луч охлаждение.
Чтобы сделать такой двигатель, исследователи впервые заключили ион (атом кальция без одного электрона) вовнутрь 8-миллиметровой воронкообразной электрической ловушки с четырьмя электродами. Затем электрическими колебаниями в виде шума (шум—случайные колебания электрического поля) передавали энергию иону, заставляя его покачиваться взад и вперед внутри ловушки и двигаться в сторону широкого конца воронки. Шум, затем выключался, и ион кальция замедлял свое движение. Он остывал после столкновения с частицами света от лазерного луча, который постоянно светил через ловушку воронки. Это охлаждало ион и он возвращался в узкий конец ловушки. Затем цикл начинался снова.
В настоящее время исследователи выводят эту энергию, позволяя лазеру поглощать её. Ученые утверждают, что энергии, около 10-24 джоулей в цикле — это настолько мало, что потребуются миллиарды ионных двигателей для создания полезной мощности. Все из этих двигателей можно соединить параллельно с помощью нового вида интегральной схемы вместо крупногабаритного оборудования, используемого в текущем эксперименте.
Основной целью текущей работы является доказать действительность термодинамики в режиме одного атома. Значение мощности и эффективности такого двигателя рассчитывается исходя из количества и частоты фононов (квант колебательного движения).
Построив ионный двигатель можно изучить конечный и основной предел применения тепла двигателей. Однако практические приложения пока трудно предусмотреть.
Будет интересно посмотреть, как квантово механическое поведение крошечных тепловых двигателей отличается от «классической» физики, которая управляет большинством двигателей. Текущее устройство выдает около 1000 фононов в цикл, это незначительная в сумме энергия, добытая квантовыми явлениями. Пока это красивая демонстрация, как один атом может использоваться в качестве теплового двигателя.
