Extragerea Ergotropiei: Legarea energiei libere și aplicarea la motoarele cu ciclu deschis

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Tanmoy Biswas¹, Marcin Łobejko¹, Paweł Mazurek¹, Konrad Jałowiecki², și Michał Horodecki¹

¹Centrul Internațional de Teoria Tehnologiilor Cuantice, Universitatea din Gdansk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Polonia
²Institutul de Informatică Teoretică și Aplicată, Academia Poloneză de Științe, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polonia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

A doua lege a termodinamicii folosește modificarea energiei libere a sistemelor macroscopice pentru a stabili o limită a muncii efectuate. Ergotropia joacă un rol similar în scenariile microscopice și este definită ca cantitatea maximă de energie care poate fi extrasă dintr-un sistem printr-o operație unitară. În această analiză, cuantificăm cât de multă ergotropie poate fi indusă asupra unui sistem ca urmare a interacțiunii sistemului cu o baie termală, în perspectiva utilizării acesteia ca sursă de lucru efectuată de mașinile microscopice. Oferim limita fundamentală a cantității de ergotropie care poate fi extrasă din mediu în acest fel. Limita este exprimată în termenii diferenței de energie liberă de neechilibru și poate fi saturată în limita dimensiunii infinite a hamiltonianului sistemului. Procesul de extracție prin ergotropie care duce la această saturație este analizat numeric pentru sistemele cu dimensiuni finite. În plus, aplicăm ideea extragerii ergotropiei din mediu într-un proiect al unei noi clase de motoare termice cu cursă, pe care le etichetăm motoare cu ciclu deschis. Eficiența și producția de lucru a acestor mașini pot fi complet optimizate pentru sistemele de dimensiunile 2 și 3, iar pentru dimensiuni mai mari se asigură analiza numerică.

► Date BibTeX

@articol{Biswas2022extractionof, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, titlu = {Extracția ergotropiei: energia liberă legată și aplicarea la motoarele cu ciclu deschis}, autor = {Biswas, Tanmoy și {L{}}obejko, Marcin și Mazurek, Pawe{l{}} și Ja{l{}}owiecki, Konrad și Horodecki, Micha{l{}}}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, editor = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volum = {6}, pagini = {841}, luna = oct, an = {2022} }

► Referințe

[1] Åberg J. Extragerea muncii cu adevărat asemănătoare cu munca printr-o analiză cu o singură lovitură. Comunicarea naturii. 2013 iunie;4(1):1925. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712

[2] Seifert U. Prima și a doua lege a termodinamicii la cuplarea puternică. Phys Rev Lett. 2016 ianuarie;116:020601. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Non-Markovianity și rate negative de producție de entropie. Phys Rev E. 2019 ian;99:012120. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.99.012120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.99.012120

[4] Brandão F, Horodecki M, Ng N, Oppenheim J, Wehner S. Cele doua legi ale termodinamicii cuantice. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Extracție de lucru și termodinamică pentru sisteme cuantice individuale. Comunicarea naturii. 2014;5(1):4185. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Relații de fluctuație-dissipare pentru procesele de distilare termodinamică. Phys Rev E. 2022 mai;105:054127. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127

[7] Jarzynski C. Egalitatea de neechilibru pentru diferențele de energie liberă. Phys Rev Lett. 1997 Apr;78:2690-3. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Fluctuații de neechilibru, teoreme de fluctuație și statistici de numărare în sisteme cuantice. Rev Mod Fiz. 2009 Dec;81:1665-702. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Colocviu: Relații de fluctuație cuantică: Fundamente și aplicații. Rev Mod Fiz. 2011 iulie;83:771-91. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.83.771

[10] Alhambra AM, Masanes L, Oppenheim J, Perry C. Fluctuating Work: From Quantum Thermodynamical Identities to a Second Law Equality. Phys Rev X. 2016 Oct;6:041017. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Extragerea maximă a muncii din sisteme cuantice finite. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565-71. Disponibil de la:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Principiul creșterii caracterului de amestecare și unele dintre consecințele acestuia. Teoretica chimica acta. 1976 Apr;41:042110. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Entanglement boost pentru lucrări extractibile din ansambluri de baterii cuantice. Physical Review E. 2013 Apr;87(4). Disponibil de la: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042123.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.87.042123

[14] Binder FC, Vinjanampathy S, Modi K, Goold J. Quantacell: încărcare puternică a bateriilor cuantice. Noul Jurnal de Fizică. 2015 iul;17(7):075015. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015

[15] Campaioli F, Pollock FA, Binder FC, Céleri L, Goold J, Vinjanampathy S, et al. Îmbunătățirea puterii de încărcare a bateriilor Quantum. Phys Rev Lett. 2017 Apr;118:150601. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.150601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.150601

[16] Monsel J, Fellous-Asiani M, Huard B, Auffèves A. The Energetic Cost of Work Extraction. Phys Rev Lett. Martie 2020;124:130601. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Încărcare asistată prin termalizare. Cercetare fizică. 2020 septembrie;2:033413. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Structura stărilor pasive și implicația ei în încărcarea bateriilor cuantice. Phys Rev E. 2020 Aug;102:022106. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Bound on ergotropic gap for bipartite separable states. Phys Rev A. 2019 mai;99:052320. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Semnături termodinamice ale încurcăturii cu adevărat multipartite. Phys Rev Lett. 2022 august;129:070601. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Independența muncii și entropia pentru sisteme cuantice finite cu energie egală: Energie de stare pasivă ca cuantificator de încrucișare. Phys Rev E. 2020 Jul;102:012145. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.012145.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.012145

[22] Francica G, Binder FC, Guarnieri G, Mitchison MT, Goold J, Plastina F. Quantum Coherence and Ergotropy. Phys Rev Lett. Octombrie 2020;125:180603. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603

[23] Sone A, Deffner S. Ergotropie cuantică și clasică din entropii relative. Entropie. 2021;23(9). Disponibil de la: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Stări pasive și stări KMS pentru sisteme cuantice generale. Comunicare Matematică Fiz. 1978;58(3):273-90. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Instabilitatea energetică a stărilor pasive în termodinamică. Comunicarea naturii. 2017 Dec;8(1):1895. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4

[26] Łobejko M, Mazurek P, Horodecki M. Thermodynamics of Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Cuantic. Decembrie 2020;4:375. Disponibil de la: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] Łobejko M. Inegalitatea strânsă a Legii a doua pentru sisteme cuantice coerente și băi de căldură de dimensiuni finite. Comunicarea naturii. 2021 februarie;12(1):918. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Masere cu trei niveluri ca motoare termice. Phys Rev Lett. 1959 Mar;2:262-3. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Îmbunătățirea eficienței unui motor termic ideal. Phys Rev Lett. 2002 ianuarie;88:050602. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Jacobs K. Măsurarea cuantică și prima lege a termodinamicii: Costul energetic al măsurării este valoarea de lucru a informațiilor dobândite. Physical Review E. 2012 Oct;86(4). Disponibil de la: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.86.040106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.86.040106

[31] Goold J, Huber M, Riera A, Rio Ld, Skrzypczyk P. Rolul informațiilor cuantice în termodinamică — o revizuire de actualitate. Jurnalul de fizică A: matematică și teoretică. 2016 Feb;49(14):143001. Disponibil de la: http:///doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001.
https://doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001

[32] Wilming H, Gallego R, Eisert J. A doua lege a termodinamicii sub restricții de control. Physical Review E. 2016 Apr;93(4). Disponibil de la: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.93.042126.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.93.042126

[33] Perarnau-Llobet M, Wilming H, Riera A, Gallego R, Eisert J. Strong Coupling Corrections in Quantum Thermodynamics. Phys Rev Lett. 2018 Mar;120:120602. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Sistemul deschis cuantic ca model al motorului termic. Jurnalul de fizică A: matematică și generală. 1979 mai;12(5):L103-7. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007.
https://doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007

[35] del Rio L, Åberg J, Renner R, Dahlsten O, Vedral V. Sensul termodinamic al entropiei negative. Natură. 2011 iunie;474(7349):61-3. Disponibil de la:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Transformări reversibile de la stări pure la stări mixte și măsura unică a informațiilor. Phys Rev A. 2003 Jun;67:062104. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Limitări fundamentale pentru termodinamică cuantică și la scară nanometrică. Comunicarea naturii. 2013;4(1):2059. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059

[38] Åberg J. Coerența catalitică. Phys Rev Lett. 2014 oct;113:150402. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.150402.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.150402

[39] Ng NHY, Mancinska L, Cirstoiu C, Eisert J, Wehner S. Limits to catalysis in quantum thermodynamics. Noul Jurnal de Fizică. 2015 aug;17(8):085004. Disponibil de la:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtual qubits, virtual temperatures, and the foundations of thermodynamics. Phys Rev E. 2012 mai;85:051117. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Cele mai mici motoare termice posibile. arXiv:10106029. 2010. Disponibil la: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029
arXiv: 10106029

[42] Monsel J, Elouard C, Auffèves A. O mașină cuantică autonomă pentru a măsura săgeata termodinamică a timpului. npj Informații cuantice. 2018 noiembrie;4:59. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8.
https://doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8

[43] Roulet A, Nimmrichter S, Arrazola JM, Seah S, Scarani V. Motor termic cu rotor autonom. Phys Rev E. 2017 iunie;95:062131. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131

[44] Kosloff R, Levy A. Quantum Heat Engines and Frigideres: Continuous Devices. Revizuirea anuală a chimiei fizice. 2014;65(1):365-93. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1146/annurev-physchem-040513-103724.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-physchem-040513-103724

[45] Niedenzu W, Huber M, Boukobza E. Concepte de lucru în motoarele termice cuantice autonome. Cuantic. Octombrie 2019;3:195. Disponibil de la: https:///doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195.
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195

[46] von Lindenfels D, Gräb O, Schmiegelow CT, Kaushal V, Schulz J, Mitchison MT și colab. Spin Heat Engine cuplat la un volant cu oscilator armonic. Phys Rev Lett. 2019 august;123:080602. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Funcționarea optimă a unui motor termic cuantic cu trei niveluri și natura universală a eficienței. Cercetare fizică. 2020 noiembrie;2:043187. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043187.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043187

[48] Andolina GM, Farina D, Mari A, Pellegrini V, Giovannetti V, Polini M. Transfer de energie mediat de încărcător în modele exact rezolvabile pentru bateriile cuantice. Phys Rev B. 2018 Nov;98:205423. Disponibil la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.98.205423.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.205423

[49] Andolina GM, Keck M, Mari A, Campisi M, Giovannetti V, Polini M. Extractable Work, Role of Correlations, and Asymptotic Freedom in Quantum Batteries. Phys Rev Lett. 2019 februarie;122:047702. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.047702.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.047702

[50] Janzing D, Wocjan P, Zeier R, Geiss R, Beth T. Thermodynamic Cost of Reliability and Low Temperatures: Tightening Landauer’s Principle and the Second Law. Int J Theor Phys. 2000 Dec;39(12):2717-53. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734

[51] Streater RF. Dinamica statistică: O abordare stocastică a termodinamicii de neechilibru (ediția a 2-a). World Scientific Publishing Company; 2009. Disponibil la: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Încărcarea disipativă a unei baterii Quantum. Scrisori de revizuire fizică. 2019 mai;122(21). Disponibil de la:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Descompunerea și structura convexă a proceselor termice. Noul Jurnal de Fizică. 2018 mai;20(5):053040. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057

[54] Mazurek P. Procesele termice și realizabilitatea stării. Phys Rev A. 2019 Apr;99:042110. Disponibil de la: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Citat de

[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh și P. Horodecki, „Optimal Quantum Control of Charging Quantum Batteries”, arXiv: 2207.00094.

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2022-10-17 14:07:51). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2022-10-17 14:07:49: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2022-10-17-841 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.