1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الفيزياء

علماء الفيزياء

الفيزياء الكلاسيكية

الميكانيك

الديناميكا الحرارية

الكهربائية والمغناطيسية

الكهربائية

المغناطيسية

الكهرومغناطيسية

علم البصريات

تاريخ علم البصريات

الضوء

مواضيع عامة في علم البصريات

الصوت

الفيزياء الحديثة

النظرية النسبية

النظرية النسبية الخاصة

النظرية النسبية العامة

مواضيع عامة في النظرية النسبية

ميكانيكا الكم

الفيزياء الذرية

الفيزياء الجزيئية

الفيزياء النووية

مواضيع عامة في الفيزياء النووية

النشاط الاشعاعي

فيزياء الحالة الصلبة

الموصلات

أشباه الموصلات

العوازل

مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة

فيزياء الجوامد

الليزر

أنواع الليزر

بعض تطبيقات الليزر

مواضيع عامة في الليزر

علم الفلك

تاريخ وعلماء علم الفلك

الثقوب السوداء

المجموعة الشمسية

الشمس

كوكب عطارد

كوكب الزهرة

كوكب الأرض

كوكب المريخ

كوكب المشتري

كوكب زحل

كوكب أورانوس

كوكب نبتون

كوكب بلوتو

القمر

كواكب ومواضيع اخرى

مواضيع عامة في علم الفلك

النجوم

البلازما

الألكترونيات

خواص المادة

الطاقة البديلة

الطاقة الشمسية

مواضيع عامة في الطاقة البديلة

المد والجزر

فيزياء الجسيمات

الفيزياء والعلوم الأخرى

الفيزياء الكيميائية

الفيزياء الرياضية

الفيزياء الحيوية

الفيزياء العامة

مواضيع عامة في الفيزياء

تجارب فيزيائية

مصطلحات وتعاريف فيزيائية

وحدات القياس الفيزيائية

طرائف الفيزياء

مواضيع اخرى

علم الفيزياء : مواضيع عامة في الفيزياء : طرائف الفيزياء :

Photon Engine

المؤلف:  Franklin Potter and Christopher Jargodzki

المصدر:  Mad about Modern Physics

الجزء والصفحة:  p 61

19-10-2016

313

Photon Engine

The ideal Carnot heat engine converts heat to work without the engine itself being a source of any work. The reversible closed Carnot cycle consists of two isothermal (constant temperature) processes and two adiabatic (no external exchange of thermal energy) processes. No heat engine operating between two temperatures can be more efficient than a Carnot cycle.

But Carnot could be wrong. The challenger is the new “quantum Carnot engine,” in which the radiation pressure from photons drives a piston in an optical cavity. The inward-facing surface of the piston is mirrored and the other cavity mirror is fixed in place while exchanging thermal energy with a heat sink at temperature T1. A second heat bath at a higher temperature, T2, provides the source of thermal energy for the photons.

This source of thermal energy is a stream of hot atoms, which flows into the optical cavity and exchanges thermal energy with the photons through emission and absorption processes. These atoms exit the cavity at a cooler temperature and are reheated to T2 in a second cavity, to be reinjected into the first cavity for the next cycle of the quantum Carnot engine.

Therefore, the quantum and classical Carnot engines operate in the same way as a closed cycle of two isothermal and two adiabatic processes. However, in its simplest form, when each bath atom is treated as a two-state system, the quantum Carnot engine cannot extract work from a single heat bath. Why not? Will the engine work if each bath atom is a three-state system?

Answer

We can analyze the operation of the quantum Carnot engine in the same manner in which we would analyze a classical Carnot engine. Let Qin be the energy absorbed from the bath atoms during the isothermal expansion and Qout be the energy given to the heat sink during the isothermal compression. Then the Carnot engine efficiency η = (QinQout)/Qin.

If the bath atoms are assumed to be two-state systems that absorb and emit radiation at the same photon frequency, then we need the thermodynamic properties of a photon gas in order to determine the theoretical efficiency of this photon engine. Assuming thermal equilibrium for the photon gas, the average number of photons n2 with energy ε coming in from the heat bath at temperature T2 is given by n2 = 1/(exp[ε/kT2] – 1), while the average number of photons n1 leaving at temperature T1 is n1 = 1/(exp[ε/kT1] – 1). Since Qinn2 ε and Qoutn1 ε, the efficiency of the quantum Carnot engine is η = 1 – T1/T2, exactly the same as for the classical Carnot engine. When there is only one heat bath, with T1 = T2, no work can be done.

A different quantum engine occurs when the bath atoms have three states instead of two, bringing in quantum behavior called quantum coherence, with a non-vanishing phase difference between the two lowest atomic states induced by a microwave field. One can eliminate the photon absorption process (analogous to laser operation without a population inversion). The temperature T2 becomes altered to a different effective temperature, Tφ. The efficiency ηφ = (TφT1)/T1 can exceed the efficiency of the classical Carnot engine. This quantum engine can extract work from a single heat bath, even when T1 = T2! For the details of the three-state quantum engine’s operation, see the reference below.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي