|  | 23 октября 2015 | Новости науки и техники

Ученые создали самый маленький тепловой двигатель, состоящий из единственного атома

Исследовательская установка


Тепловые двигатели являются одним из самых распространенных типов двигателей в настоящее время. Эти двигатели вращают турбины генераторов тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания заставляют двигаться наши автомобили, турбореактивные двигатели позволяют самолетам летать в небе, а ракетные двигатели поднимают космические аппараты в открытое космическое пространство. В большинстве своем тепловые двигатели, за редкими исключениями, имеют большие габариты и вес, который может измеряться сотнями, тысячами и десятками тысяч килограмм. И в течение каждого своего рабочего цикла такие двигатели то нагревают, то охлаждают триллионы триллионов молекул рабочего вещества, тепловая энергия которого превращается в энергию механического движения. А недавно, ученые-физики из Германии создали то, что можно назвать самым маленьким тепловым двигателем в мире. Ведь в нем использована лишь единственная крошечная частица - ион кальция.

Этот атомарный тепловой двигатель имеет слишком малую мощность для того, чтобы заставить двигаться что-либо, различимое глазом человека. Но, согласно Джейкобу Тэйлору, физику из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), "такой атомарный двигатель может использоваться при проведении исследований в области статической физики, в области перемещения тепловых потоков и в микроскопических микроэлектромеханических системах".

Любой тепловой двигатель служит для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию механического движения. Это достигается за счет перемещения тепла от более горячих частей, к более холодным, или теплового расширения рабочего тела, что, к примеру, толкает поршень в двигателях внутреннего сгорания. В качестве рабочего тела и одновременно поршня атомарного теплового двигателя, созданного германскими учеными, используется ион кальция. Источником энергии этого двигателя является электромагнитный шумовой сигнал, а при помощи луча лазерного света создается область с низкой температурой.

Ион кальция (атом с одним искусственно удаленным электроном) помещен в воронкообразную электрическую ловушку, длиной в 8 миллиметров, создаваемую потенциалом, приложенным к четырем электродам. Ион нагревается при помощи шумового электромагнитного сигнала, излучаемого еще четырьмя электродами, выступающими в роли своего рода антенн. Воздействие энергии шумового сигнала заставляет атом кальция колебаться с большей амплитудой и он перемещается в строну более широкого конца ловушки. После отключения источника сигнала атом под воздействием луча лазерного света начинает охлаждаться, амплитуда его колебаний постепенно уменьшается и он снова перемещается к "узкой" стороне ловушки, где электрическое поле имеет самую высокую напряженность. И этот цикл повторяется снова, заставляя ион совершать периодические перемещения.

Принцип действия ионного теплового двигателя


Подобрав необходимые параметры излучения источника шумового сигнала, определив точные моменты его включения и выключения, ученые настроили работу атомарного теплового двигателя так, что частота колебаний иона стала равной резонансной частоте ловушки. Когда эти частоты совпали, атом начал колебаться с увеличением амплитуды при каждом цикле и после этого энергию его движения уже стало можно использовать в каких-либо целях.

В настоящее время избыточная энергия движения атома поглощается при помощи воздействия луча света еще одного лазера. Однако, эту энергию можно использовать для приведения в действие крошечного электрического генератора. Энергия одного колебания атома составляет 10^-24 Джоуля и для того, чтобы получить значимое количество электрической энергии потребуется синхронная работа миллионов таких атомарных тепловых двигателей.

Однако, не создание двигателя было целью исследований ученых. "Нашей главной целью являлось получение подтверждения тому, что законы термодинамики соблюдаются и при уменьшении масштаба системы до уровня отдельных атомов" - пишут исследователи, - "Полученные нами экспериментальные значения мощности, эффективности и других энергетических показателей работы двигателя оказались весьма близки к значениям, полученным при помощи теоретических расчетов".

Самым интересным, согласно мнению Джейкоба Тэйлора, является то, что данные эксперименты открывают путь к изучению работы тепловых двигателей на квантовом уровне, на уровне, где действующие законы и принципы отличаются от законов и принципов классической физики. В нынешнем двигателе в каждом цикле атом кальция поглощает энергию эквивалентную энергии приблизительно 1000 фононов, квазичастиц, переносящих тепло. "Но 1000 фононов - это слишком много для того, чтобы наблюдать реальные квантовые явления. И это количество должно быть кардинально снижено для того, чтобы мы смогли обнаружить любые отклонения от законов классической термодинамики".




Ключевые слова:
Тепловой, Двигатель, Атом, Ион, Кальций, Электромагнитное, Излучение, Шум, Ловушка, Энергия, Движение

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Созданный учеными ДНК-двигатель может перемещать грузы по рельсам из углеро ...
  • Новый линейный генератор позволит существенно увеличить дальность движения ...
  • 19-летняя студентка из Египта патентует двигатель для космических аппаратов ...
  • Машины-монстры: Самый маленький в мире тепловой двигатель - одна частица, р ...
  • Новый термоакустический генератор преобразует тепло в электричество посредс ...




  • 23 октября 2015 06:59
    #1 Написал: Nikalen

    Публикаций: 0
    Комментариев: 69
    Снова мечты о заветном "Perpeto Mobile". Надеюсь когда то люди всё таки найдут энергию из ничего...Или уже нашли?

    А если кому интересно может загуглить "Электрогидроудар" Юткина.
    Очень интересная вещь.


    --------------------
        
    23 октября 2015 07:50
    #2 Написал: FomaNeverujuwij

    Публикаций: 0
    Комментариев: 3785
    Цитата: Nikalen
    всё таки найдут энергию из ничего...

    Пока закон о сохранении энергии остается в силе, так что "энергии из ничего" придется еще подождать, пока он не перестанет действовать -))


    --------------------
        
    23 октября 2015 15:10
    #3 Написал: nefton

    Публикаций: 0
    Комментариев: 28
    Цитата: Nikalen
    Надеюсь когда то люди всё таки найдут энергию из ничего...

    Сегодня вам давай энергию из ничего, завтра вам захочется вещество из ничего, вот только зачем?
    Это как пытаться получить воду из ничего, плавая в океане.
        
    23 октября 2015 20:06
    #4 Написал: Strilec

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Якщо атом кальцію тут ОДИН, то яким боком до нього можна приліпити поняття "тепло"? І "класична термодинаміка" серед іншого?
    У єдиної частинки нема й не може бути температури, якщо такий термін до неї ліпиться, то це девальвація терміна, змішування мови науки з мовою худ. літератури.
        
    23 октября 2015 22:54
    #5 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 497
    Если и уместно тут что-то называть двигателем, то всю эту систему, а не один единственный атом, выполняющий роль поршня.
        
    24 октября 2015 13:07
    #6 Написал: FomaNeverujuwij

    Публикаций: 0
    Комментариев: 3785
    Цитата: Rsa
    всю эту систему

    Оно так и есть, об это прямо и написано
    В качестве рабочего тела и одновременно поршня атомарного теплового двигателя, созданного германскими учеными, используется ион кальция.


    Цитата: Strilec
    У єдиної частинки нема й не може бути температури

    По отношению к одной частице понятие температуры подразумевает скорость ее теплового (броуновского) движения. Ведь существуют в космосе облака разреженного газа, нагретые до миллионов градусов. Это говорит лишь отом, что молекулы или атомы этого газа хаотично движуться со скоростью, которая равна скорости броуновского движения при данной температуре.


    --------------------
        
    24 октября 2015 14:28
    #7 Написал: Strilec

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Цитата: FomaNeverujuwij,
    По отношению к одной частице понятие температуры подразумевает скорость ее теплового (броуновского) движения.


    Тепловий рух - це те, що виникає внаслідок зіткнень частинок у колективі. Кожне зіткнення характерне випадковими прицільними параметрами, а тому швидкості частинок після оного міняються теж випадково. Оскільки частинок навіть у космічно-розрідженому газі не багато, а дууууууже багато, міра випадковості енергій частинок така велика, що їх енергію мислимо охарактеризувати тільки таким усереднюючим поняттям, як температура.
    У нашого єдиного іона кальцію нема таких проблем. Він один-єдиний, ні з ким випадково не стикається. Тому його прискорення знаходяться в дуже точній відповідності до геометрії "посудини", в яку його запакували й полів, які є в тій посудині. Точній. У кожну пікосекунду часу.
    Тут тільки якось ніби моделюють тепло, даючи на електроди ШУМОВУ напругу. Та іон же про це не знає, він всеодно в кожну піко-пікосекунду буде мати прискорення ТОЧНО відповідні миттєвій амплітуді того шуму. Бо він ОДИН, він же ні з ким випадково не стикається.
        
    24 октября 2015 18:08
    #8 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 497
    Цитата: FomaNeverujuwij
    Оно так и есть, об это прямо и написано

    А в заголовке что написано? Уже который раз замечаю, что заголовки не соответствуют содержанию.
    Кто там у вас их выдумывает? Не пробовали найти более внимательного человека, который хотя бы прочтет то, что постит, прежде чем это сделать?
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.