Η μικρότερη θερμική μηχανή στον κόσμο

Posted on 23/08/2019

0


Μια θερμική μηχανή φτιαγμένη από ένα μόνο ιόν ασβεστίου


Θερμικές μηχανές ονομάζουμε τις διατάξεις που μετατρέπουν την θερμότητα σε μηχανικό έργο. Η ιστορία των μηχανών αυτών αρχίζει το 1712 όταν ο Thomas Newcomen επινόησε την πρώτη ατμομηχανή. Το 1769 ο Watt, βελτίωσε την μηχανή του Newcomen και παρουσίασε μια μηχανή για πολλές χρήσεις. Η εφεύρεση της ατμομηχανής και στη συνέχεια η διάδοση της χρήσης της είχε ως αποτέλεσμα βαθιές αλλαγές στη ζωή των ανθρώπων και στις κοινωνικές δομές. Η περίοδος που ακολούθησε είναι σήμερα γνωστή ως βιομηχανική επανάσταση.

Αρχή λειτουργίας της ατμομηχανής

Σχηματικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι η θερμική μηχανή είναι μια διάταξη που υποβάλλει ένα «μέσον» σε μια μεταβολή. Επειδή η μηχανή μετατρέπει συνεχώς την θερμότητα σε έργο πρέπει η μεταβολή στην οποία υποβάλλεται το μέσον να είναι κυκλική, ώστε, όταν ολοκληρωθεί η μεταβολή, η μηχανή να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση και να επαναλάβει την ίδια διαδικασία ξανά και ξανά. Στην ατμομηχανή το υλικό που υποβάλλεται στην κυκλική διεργασία είναι το νερό. Το νερό αφού γίνει ατμός και ολοκληρώσει την πορεία του μέσω του κυλίνδρου και του συμπυκνωτή επιστρέφει στο λέβητα στις ίδιες συνθήκες.
Κατά τη διάρκεια της κυκλικής μεταβολής του μέσου, η μηχανή
(α) απορροφά θερμότητα (Qh)  από μια δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας Οι πιθανότητες ισορροπίας
(β) παράγει ωφέλιμο έργο και
(γ) αποβάλλει θερμότητα (Qc) σε μια δεξαμενή χαμηλότερης θερμοκρασίας Τc.

Όλα αυτά είναι γνωστά από τον 18ο αιώνα. Στην εποχή μας οι ερευνητές επιχειρούν να εφαρμόσουν παρόμοιες αρχές με αυτές των θερμικών μηχανών στον μικρόκοσμο των ατόμων!

Έτσι, ο Ulrich Poschinger και οι συνεργάτες του, από το Πανεπιστήμιο του Mainz στη Γερμανία, στην δημοσίευσή τους με τίτλο A spin heat engine coupled to a harmonic-oscillator flywheel, περιγράφουν μια θερμική μηχανή η οποία χρησιμοποιεί ως ατμό το σπιν του ηλεκτρονίου σθένους του ιόντος ασβεστίου (40Ca+),  για να θέσει σε κίνηση (ωφέλιμο έργο) το σωματίδιο.

Για την δημιουργία της θερμικής μηχανής οι ερευνητές παγιδεύουν το ιόν του ασβεστίου με ηλεκτρικά πεδία και ελέγχουν την κατεύθυνση του σπιν από το ηλεκτρόνιο σθένους χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία λέιζερ. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας ένα διαφορετικό λέιζερ συνδέουν την κατάσταση του σπιν με την κίνηση του ιόντος. Με την εναλλαγή της κατάσταση του σπιν, μετακινούν το ιόν εμπρός και πίσω, σαν έναν απλό αρμονικό ταλαντωτή.

Από τα αριστερά προς τα δεξιά τα στάδια λειτουργίας της μηχανής: ισόχωρη θέρμανση, ισεντροπική εκτόνωση, ισόχωρη ψύξη και ισεντροπική συμπίεση. Το μέγεθος των κύκλων εκφράζει τον πληθυσμό κατάληψης των ενεργειακών σταθμών που συμβολίζονται με ∣↑⟩ και ∣↓⟩,

Το σπιν του ηλεκτρονίου σθένους αντιστοιχεί στον ατμό της θερμικής μηχανής, τo ένα λέιζερ που ελέγχει την κατάσταση του σπιν εξομοιώνει την θερμή και ψυχρή δεξαμενή, των οποίων οι θερμοκρασίες στο πείραμα ήταν 3.5 mK και 0.4 mK, αντίστοιχα. Το δεύτερο λέιζερ, το οποίο μετατρέπει την κατάσταση σπιν του ιόντος σε κίνηση, αντιστοιχεί στον μηχανισμό που εξάγει το ωφέλιμο έργο.

a) Οι χρωματισμένες περιοχές δείχνουν πότε το λέιζερ λειτουργεί ως «θερμή πηγή» (καφέ; χρώμα) και πότε ως «ψυχρή πηγή» (μπλε χρώμα). Οι οριζόντιες διακεκομμένες γραμμές αντιστοιχούν στις δυο θερμοκρασίες λειτουργίας της θερμικής μηχανής Τh και Τc. b) Οι ενεργειακές στάθμες του 40Ca+ που καταλαμβάνει ο «ατμός του κινητήρα».

Χαρακτηρίζοντας τον μηχανισμό αυτό ως απλή «θερμική» μηχανή, η ομάδα στοχεύει σε περαιτέρω κατανόηση της θερμοδυναμικής στην ατομική κλίμακα. Η φαντασία του Leo Szilard που πρότεινε για διαφορετικούς λόγους το 1926 μια ιδεατή θερμική μηχανή της οποίας το αέριο συνίσταται από ένα μόριο μόνο έγινε (κατά κάποιον τρόπο) πραγματικότητα!

πηγές: το πιο περιφρονημένο κεφάλαιο φυσικής Λυκείου από τους αυριανούς φοιτητές των θετικών σχολών  – https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.080602 – https://arxiv.org/pdf/1808.02390.pdf