موتور فوتو-کارنو

موتور فوتو-کارنو (به انگلیسی: Photo-Carnot engine) یک موتور با چرخه کارنو است که در آن محیط کاری، فوتون‌هایی درون یک کاواک با دیواره‌های کاملاً بازتابنده هستند. تابش سیال کاری است و پیستون توسط فشار تابش رانده می‌شود.

یک موتور کارنو کوانتومی موتوری است که در آن به اتم‌های موجود در حمام گرم، مقدار کمی همدوسی کوانتومی داده می‌شود. فاز همدوسی اتمی، یک پارامتر کنترلی جدید فراهم می‌کند.

فیزیک عمیق پشت قانون دوم ترمودینامیک نقض نمی‌شود؛ با این وجود، موتور کارنو کوانتومی ویژگی‌های خاصی دارد که در یک موتور کلاسیک ممکن نیست.

Derivation

انرژی درونی موتور فوتو-کارنو با حجم (برخلاف معادل گاز ایده‌آل آن) و همچنین با توان چهارم دما (نگاه کنید به قانون اشتفان–بولتسمان) با استفاده از $a={\frac {4\sigma }{c}}$ متناسب است:

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

فشار تابش تنها با این توان چهارم دما متناسب است و به متغیرهای دیگر وابسته نیست، به این معنی که برای این موتور فوتو-کارنو، یک هم‌دما معادل یک هم‌فشار است:

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

با استفاده از قانون اول ترمودینامیک ($dU=dW+dQ$) می‌توانیم کار انجام‌شده در یک انبساط بی‌دررو ($dQ=0$) را با استفاده از قاعده زنجیره‌ای ($dU=\varepsilon aT^{4}dV+4\varepsilon aVT^{3}dT$) و برابر قرار دادن آن با $dW_{V}=-PdV=-{\frac {1}{3}}\varepsilon aT^{4}dV\,.$ تعیین کنیم.

ترکیب این‌ها $dW_{V}=dU$ به ما $-{\frac {1}{3}}TdV=VdT$ می‌دهد که می‌توانیم آن را برای یافتن $T^{3}V={\text{const}}\,$ یا به طور معادل $PV^{4/3}={\text{const}}\,.$ حل کنیم.

از آنجا که موتور فوتو-کارنو به همدوسی کوانتومی در گاز نیاز دارد که در طول فرایند از دست می‌رود، بازسازی همدوسی انرژی بیشتری نسبت به آنچه توسط ماشین تولید می‌شود، مصرف می‌کند.

بازده این موتور برگشت‌پذیر، شامل همدوسی، حداکثر باید برابر با بازده کارنو باشد، صرف‌نظر از مکانیسم آن، و بنابراین:

$\eta \leq {\frac {T_{H}-T_{C}}{T_{H}}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}\,.$

جستارهای وابسته

• موتور گرمایی کارنو
• رادیومتر

مطالعه بیشتر

• Marlan O. Scully; M. Suhail Zubairy; G. S. Agarwal; Herbert Walther (2003-02-07). "Extracting Work from a Single Heat Bath via Vanishing Quantum Coherence". Science. 299 (5608): 862–864. Bibcode:2003Sci...299..862S. doi:10.1126/science.1078955. PMID 12511655. S2CID 120884236.
• Zubairy, M. Suhail (2002). "The Photo-Carnot Cycle: The Preparation Energy for Atomic Coherence". Quantum Limits to the Second Law: First International Conference on Quantum Limits to the Second Law. AIP Conference Proceedings. Vol. 643. pp. 92–97. Bibcode:2002AIPC..643...92Z. doi:10.1063/1.1523787.

منابع

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «[en:Template:Heat engines Template:Heat engines]». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی.

منابع

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «[en:Photo-Carnot engine Photo-Carnot engine]». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی.