Фото-двигатель Карно

Фотодвигатель Карно — двигатель с циклом Карно , в котором рабочим телом является фотон внутри полости с идеально отражающими стенками. Радиация является рабочей жидкостью, а поршень приводится в движение радиационным давлением .

Квантовый двигатель Карно — это двигатель, в котором атомам в тепловой ванне придается небольшая квантовая когерентность . Фаза атомной когерентности обеспечивает новый параметр управления.

Глубокая физика, лежащая в основе второго закона термодинамики , не нарушена; тем не менее, квантовый двигатель Карно имеет некоторые особенности, недоступные классическому двигателю.

Вывод

Внутренняя энергия двигателя фото-Карно пропорциональна объему (в отличие от эквивалента идеального газа), а также 4-й степени температуры (см. Закон Стефана – Больцмана ) с использованием $a={\frac {4\sigma }{c}}$ :

$U=V\varepsilon aT^{4}\,.$

Давление излучения пропорционально только этой 4-й степени температуры, но никаким другим переменным, а это означает, что для этого двигателя фото-Карно изотерма эквивалентна изобаре:

$P={\frac {U}{3V}}={\frac {\varepsilon aT^{4}}{3}}\,.$

Используя первый закон термодинамики ( $dU=dW+dQ$) мы можем определить работу, совершенную посредством адиабаты ( $dQ=0$) расширение с использованием правила цепочки ( $dU=\varepsilon aT^{4}dV+4\varepsilon aVT^{3}dT$) и установив его равным $dW_{V}=-PdV=-{\frac {1}{3}}\varepsilon aT^{4}dV\,.$

Объединение этих $dW_{V}=dU$ дает нам $-{\frac {1}{3}}TdV=VdT$ которые мы можем решить, чтобы найти $T^{3}V={\text{const}}\,$или эквивалентно $PV^{4/3}={\text{const}}\,.$

Поскольку двигателю фото-Карно необходима квантовая когерентность газа, которая теряется в процессе, восстановление когерентности требует больше энергии, чем производится машиной.

КПД этого обратимого двигателя, включая когерентность, должен быть в лучшем случае КПД Карно, независимо от механизма и т. д. $\eta \leq {\frac {T_{H}-T_{C}}{T_{H}}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}\,.$

См. также

• Тепловая машина Карно
• Радиометр

Дальнейшее чтение

• Марлан О. Скалли; М. Сухайль Зубайри; Г.С. Агарвал; Герберт Вальтер (7 февраля 2003 г.). «Извлечение работы из одной тепловой ванны посредством исчезновения квантовой когерентности» . Наука . 299 (5608): 862–864. Бибкод : 2003Sci...299..862S . дои : 10.1126/science.1078955 . ПМИД   12511655 . S2CID   120884236 .
• Зубайри, М. Сухайль (2002). «Цикл Фото-Карно: энергия подготовки к атомной когерентности». Квантовые пределы второго закона: Первая международная конференция по квантовым ограничениям второго закона. Материалы конференции AIP . Том. 643. стр. 92–97. Бибкод : 2002AIPC..643...92Z . дои : 10.1063/1.1523787 .