フォトカルノーエンジン

光カルノーエンジンは、カルノーサイクルエンジンの一種であり、作動媒体は完全反射壁を持つ空洞内の光子である。作動流体は放射であり、ピストンは放射圧によって駆動される。

量子カルノーエンジンとは、熱浴中の原子にわずかな量子コヒーレンスが与えられるエンジンである。原子コヒーレンスの位相は、新たな制御パラメータを提供する。^[1]

熱力学の第二法則の背後にある深い物理学は破られていません。しかし、量子カルノーエンジンには、古典的なエンジンでは不可能な特定の機能があります。

導出

光カルノーエンジンの内部エネルギーは、体積（理想気体の場合とは異なり）と温度の4乗（シュテファン・ボルツマンの法則を参照）に比例します 。 ${\displaystyle a={\frac {4\sigma }{c}}}$

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

放射圧は温度の4乗にのみ比例し、他の変数には比例しません。つまり、この光カルノーエンジンでは等温線は等圧線と同等になります。

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

熱力学の第一法則（ ）を用いて、連鎖律（ ）を用いて断熱膨張（ ）によってなされる仕事を決定することができ、それを次のように設定することができる。${\displaystyle dU=dW+dQ}$ ${\displaystyle dQ=0}$ ${\displaystyle dU=\バレプシロン aT^{4}dV+4\バレプシロン aVT^{3}dT}$ ${\displaystyle dW_{V}=-PdV=-{\frac {1}{3}}\varepsilon aT^{4}dV\,.}$

これらを組み合わせると、が得られる。これを解くと が得られる。あるいは、${\displaystyle dW_{V}=dU}$ ${\displaystyle -{\frac {1}{3}}TdV=VdT}$ ${\displaystyle T^{3}V={\text{const}}\,}$ ${\displaystyle PV^{4/3}={\text{const}}\,.}$

光カルノーエンジンは、プロセス中に失われるガス内の量子コヒーレンスを必要とするため、コヒーレンスの再構築には、マシンで生成されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要です。

この可逆エンジンの効率は、コヒーレンスを含めて、メカニズムに関係なく、最大でもカルノー効率でなければならない。${\displaystyle \eta \leq {\frac {T_{H}-T_{C}}{T_{H}}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}\,.}$

参照

• カルノー熱機関
• 放射計

脚注

1. 「量子コヒーレンスの消失による単一熱浴からの仕事抽出 – Marlan Scully、M. Suhail Zubairy、GS Agarwal、Herbert Walther、299 (5608): 862 – Science」、www.sciencemag.org 。 2008年6月18日閲覧。

さらに読む

• Marlan O. Scully; M. Suhail Zubairy; G. S. Agarwal; Herbert Walther (2003-02-07). 「量子コヒーレンスの消失による単一熱浴からの仕事抽出」. Science . 299 (5608): 862– 864. Bibcode :2003Sci...299..862S. doi : 10.1126/science.1078955 . PMID  12511655. S2CID  120884236.
• Zubairy, M. Suhail (2002). 「光カルノーサイクル：原子コヒーレンスの準備エネルギー」.第二法則の量子限界：第二法則の量子限界に関する第一回国際会議. AIP会議録. 第643巻. pp.  92– 97. Bibcode :2002AIPC..643...92Z. doi :10.1063/1.1523787.