La quantificació d'energia millora el rendiment de les màquines de calor d'àtom únic

Els físics han demostrat que la quantificació d'energia pot millorar l'eficiència d'un motor de calor d'àtom únic per superar el rendiment de la seva contrapart clàssica. La quantització energètica, en la qual els nivells d'energia d'un sistema només es produeixen en valors discrets, és una característica per excel·lència dels sistemes quàntics i es diferencia dels nivells d'energia contínua que es produeixen en els sistemes clàssics.

Els físics, David Gelbwaser-Klimovsky, de la Universitat de Harvard i els coautors, han publicat un article sobre l'ús de la quantificació d'energia per millorar el rendiment de les màquines de calor en un número de la Physical Review Letters.
En el seu treball, els investigadors van comparar el rendiment de màquines de calor clàssiques i quàntiques, que converteixen la calor en treball. A la versió clàssica, es requereix una operació de treball compressible (generalment un gas) per funcionar. Quan s'escalfa la substància activa, s'expandeix i condueix el moviment mecànic del motor. A la pràctica, pot ser un desafiament experimental assolir les grans ratios de compressió necessàries per a un alt rendiment. Tanmateix, en la versió quàntica amb nivells d'energia quantificats, el motor tèrmic no requereix una substància de treball compressible, sinó que pot funcionar amb substàncies de treball incompressibles.

En general, quan es considera la quantificació d'energia en un motor tèrmic, els paradigmes clàssics es descomponen i ja no es necessiten grans proporcions de compressió per obtenir motors de calor d'alta eficiència. Com demostren els científics, la manipulació adequada dels nivells d'energia condueix a una major eficiència i obre les portes a la realització de màquines de calor que són clàssicament inconcebibles.

Els físics també van demostrar que, tot i que la quantificació d'energia pot millorar l'eficiència del motor de calor, l'eficiència encara està subjecte al límit de Carnot, el límit fonamental de l'eficiència de qualsevol motor tèrmic. A més, la millora del rendiment només es produeix quan els nivells d'energia quantificats són escalonats de forma inhomogènia, que és un règim que fins ara no ha tingut gaire atenció. En el futur, els investigadors planegen investigar més a fons aquest règim, així com explorar diferents tipus de substàncies, com aquelles compostes per partícules interactives o indistingibles.

Font: Physical Review Letters