Una investigación de la Universidad de Manchester ha lanzado una nueva luz sobre el uso de 'motores de calor en miniatura' que podría un día ayudar a las máquinas de energía de nanoescala como los computadores cuánticos.
Crédito: Universidad de Manchester
Los motores de calor son dispositivos que convierten la energía térmica en una forma útil conocida como "trabajo" que puede proporcionar energía – como cualquier otro motor.
El Dr. Ahsan Nazir, un profesor Senior y miembro de EPSRC con sede en el Instituto de Ciencias Fotónicas de Manchester y la escuela de física y astronomía, quería ver cómo los motores de calor se realizan a nivel cuántico, un entorno subatómico donde las leyes clásicas de la física no siempre se aplican.
Los motores de calefacción a esta escala podrían ayudar a alimentar las máquinas miniaturizadas a nanoescala del futuro, como los componentes de los computadores cuánticos.
La investigación del Dr. Nazir, publicada en la revista Physical Review E., mostró que los motores de calor estaban inclinados a perder el rendimiento a escala cuántica debido a la forma en que estos dispositivos intercambian energía con depósitos de calor externos, y se necesitaría más investigación para remediar este desafío.
"Los motores de calor son dispositivos que convierten la energía térmica en una forma útil conocida como 'trabajo' ", explicó el Dr. Nazir.
"Además de ser de inmensa importancia práctica, la comprensión teórica de los factores que determinan su eficiencia de conversión energética ha permitido una profunda comprensión de las leyes clásicas de la termodinámica."
"Recientemente, mucho interés se ha centrado en realizar realizaciones cuánticas de motores para determinar si las leyes termodinámicas se aplican también a los sistemas cuánticos."
"En la mayoría de los casos, estos motores se simplifican con el supuesto de que la interacción entre el sistema de trabajo y los embalses térmicos es escasamente pequeña." En la escala macroscópica clásica esta hipótesis es típicamente válida – pero reconocimos que esto puede no ser el caso a medida que el tamaño del sistema disminuya a la escala cuántica.
"El consenso sobre cómo abordar la termodinámica en este llamado régimen de acoplamiento fuerte no se ha alcanzado todavía." Así que propusimos un formalismo adecuado al estudio de un motor de calor cuántico en el régimen de resistencia a la interacción que no se desvanece y aplicarlo al caso de un ciclo de cuatro tiempos de Otto.
"Este enfoque nos permitió realizar un análisis termodinámico completo de los intercambios de energía alrededor del ciclo para todas las fuerzas de acoplamiento."Nos encontramos con que el rendimiento del motor disminuye a medida que la fuerza de interacción se vuelve más apreciable, y por lo tanto las fortalezas de interacción del reservorio del sistema que no se desvanecen constituyen una consideración importante en la operación de los motores de calor mecánicos cuánticos.