قانون في الفيزياء عمره 200 عام ينهار على المقياس الذري

في أصغر المقاييس، يمكن للمحركات الحرارية أن تفعل أكثر مما تصوره كارنو.

الباحثون في جامعة شتوتغارت وقد أظهرا أن مبدأ كارنو، وهو قاعدة أساسية للديناميكا الحرارية، لا ينطبق على الأنظمة ذات المقياس الذري التي تكون خصائصها الفيزيائية مترابطة (ما يسمى بالأشياء المترابطة).

النتيجة التي نشرت في تقدم العلوميمكن أن يساعد في تمهيد الطريق لتطوير محركات كمومية صغيرة للغاية وموفرة للطاقة.

تعمل المحركات الحرارية التقليدية، مثل محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات البخارية، عن طريق تحويل الحرارة إلى حركة ميكانيكية. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، مكّن التقدم في التجارب الكمومية من تقليص المحركات الحرارية إلى أبعاد مجهرية.

«محركات صغيرة، لا يزيد حجمها عن محرك واحد ذرةيقول البروفيسور إريك لوتز من معهد الفيزياء النظرية الأول بجامعة شتوتغارت: “يمكن أن تصبح حقيقة في المستقبل. ومن الواضح الآن أيضًا أن هذه المحركات يمكنها تحقيق أقصى قدر من الكفاءة أعلى من المحركات الحرارية الأكبر حجمًا”.

لوتز والدكتور ميلتون أجيلار، باحث ما بعد الدكتوراه في نفس المعهد، يصفان الأساس العلمي لهذا الاستنتاج في كتابهما تقدم العلوم ورق. في مقابلة مكونة من ثلاثة أسئلة، لخص الفيزيائيان ما اكتشفاه.

ماذا اكتشفت بالضبط؟

منذ ما يقرب من 200 عام بالضبط، حدد الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو الحد الأقصى للكفاءة للمحركات الحرارية. تم تطوير مبدأ كارنو، وهو الالقانون الثاني للديناميكا الحرارية، للأجسام الكبيرة والعيانية. وهذا ينطبق على التوربينات البخارية، على سبيل المثال.

ومع ذلك، فقد تمكنا الآن من إثبات أن مبدأ كارنو يجب أن يمتد ليشمل وصف الأشياء على المقياس الذري – على سبيل المثال، المحركات الجزيئية المترابطة بقوة.

لماذا هذا؟

أثبت كارنو أن الفرق في درجة الحرارة له تأثير حاسم: كلما زاد الفرق بين الساخن والبارد، زادت أقصى كفاءة ممكنة للمحرك الحراري. ومع ذلك، فإن مبدأ كارنو يهمل تأثير ما يسمى بالارتباطات الكمومية.

هذه روابط خاصة تتشكل بين الجزيئات على نطاق صغير جدًا. ولأول مرة، استنتجنا قوانين معممة للديناميكا الحرارية تفسر هذه الارتباطات بشكل كامل.

تظهر نتائجنا أن الآلات الحرارية التي تعمل على المقياس الذري لا يمكنها تحويل الحرارة فحسب، بل أيضًا الارتباطات إلى عمل. ونتيجة لذلك، يمكنهم إنتاج المزيد من العمل، ويمكن أن تتجاوز كفاءة المحرك الكمي حد كارنو التقليدي.

ما هي الآفاق التي يفتحها بحثك الأساسي؟

عملنا يعمق معرفتنا بالعالم على المستوى الذري. كلما فهمنا القوانين الفيزيائية التي تنطبق في هذه الأبعاد بشكل أفضل، كلما أسرعنا في استخدامها لتطوير تقنيات المستقبل، مثل المحركات الكمومية الصغيرة وعالية الكفاءة والتي يمكنها أداء المهام بدقة في الفضاء. مقياس النانو.

ربما في يوم من الأيام، ستتمكن مثل هذه المحركات من تشغيل الروبوتات النانوية الطبية أو التحكم في الآلات التي تعالج المواد على المستوى الذري؟ الإمكانات متنوعة للغاية.

المرجع: “الآلات الكمومية المترابطة خارج القانون الثاني القياسي” بقلم ميلتون أجيلار وإريك لوتز، 10 أكتوبر 2025، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.adw8462

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الألمانية (DFG) في إطار المشروع رقم 2724.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.