Французский ученый Сади Карно около двухсот лет назад определил верхний предел эффективности тепловых машин, основываясь на макроскопическом представлении о взаимодействии горячих и холодных тел. Этот известный принцип лег в основу второго закона термодинамики и изначально предназначался для описания крупных устройств вроде паровых турбин, пишет ScienceDaily.
Недавнее исследование ученых из Штутгартского университа показало, что классический принцип нуждается в доработке, когда речь идет о функционировании мельчайших систем на атомном уровне. Особенно значимо это утверждение становится для молекулярных механизмов, чьи составляющие находятся в тесной физической зависимости друг от друга, которую игнорирует традиционная термодинамика.
Карно считал, что уровень продуктивности тепловой машины напрямую связан лишь с температурой среды. Чем сильнее температура различается между горячей и холодной средой, тем эффективнее машина способна превращать тепло в полезную работу. Но эта простая зависимость перестала действовать в условиях, когда размеры системы уменьшаются настолько, что начинают проявляться квантово-механические свойства материи.
Немецкие ученые впервые смогли построить новую теорию, включающую влияние тонких взаимодействий внутри субатомных структур. Согласно их выводам, такие небольшие двигатели способны трансформировать не только обычную тепловую энергию. Они могут использовать дополнительную энергию, заложенную в квантовых связях между отдельными элементами конструкции. Таким образом, новый вид теплодвигателей способен превзойти известные ранее пределы производительности, предложенные Карно.
Открытие позволяет пересмотреть подходы к проектированию современных технологий и обещает прорыв в разработке маломощных, высокопроизводительных аппаратов нового типа. Такие мини-движки могли бы обеспечить энергией микросистемы различного назначения, от медицинского оборудования до инструментов, работающих с веществом на уровне отдельных атомов. Развитие подобной технологии открывает перед человечеством целый ряд инновационных решений, далеко выходящих за рамки привычных представлений о возможностях существующих машин.
Ранее физики обнаружили скрытый магнитный порядок в квантовых материалах.