I fisici hanno dimostrato che la quantizzazione dell'energia può migliorare l'efficienza di un motore termico a singolo atomo per superare le prestazioni della sua controparte classica. Quantizzazione dell'energia, in cui i livelli energetici di un sistema si verificano solo in valori discreti, è una caratteristica essenziale dei sistemi quantistici e differisce dai livelli di energia continua che si verificano nei sistemi classici.

I fisici, David Gelbwaser-Klimovsky dell'Università di Harvard e coautori, hanno pubblicato un articolo sull'uso della quantizzazione dell'energia per migliorare le prestazioni delle macchine termiche in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno confrontato le prestazioni delle macchine termiche classiche e quantistiche, che convertono il calore in lavoro. Nella versione classica, per il funzionamento è necessaria una sostanza di lavoro comprimibile (di solito un gas). Quando la sostanza di lavoro viene riscaldata, si espande e guida il movimento meccanico del motore. In pratica, può essere sperimentalmente difficile raggiungere i grandi rapporti di compressione necessari per alte prestazioni. Però, nella versione quantistica con livelli energetici quantizzati, il motore termico non richiede una sostanza di lavoro comprimibile, ma invece può funzionare con sostanze di lavoro incomprimibili.

Quindi nel complesso, quando si considera la quantizzazione dell'energia in un motore termico, i paradigmi classici si rompono e non sono più necessari grandi rapporti di compressione per ottenere motori termici altamente efficienti. Come hanno dimostrato gli scienziati, l'opportuna manipolazione dei livelli energetici porta a maggiori efficienze e apre le porte alla realizzazione di macchine termiche classicamente inconcepibili.

I fisici hanno anche dimostrato che, sebbene la quantizzazione dell'energia possa migliorare l'efficienza del motore termico, l'efficienza è ancora soggetta al limite di Carnot, il limite fondamentale dell'efficienza di qualsiasi motore termico. Inoltre, il miglioramento delle prestazioni si verifica solo quando i livelli energetici quantizzati sono scalati in modo disomogeneo, che è un regime che finora ha ricevuto poca attenzione. Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di indagare ulteriormente su questo regime, oltre a esplorare diversi tipi di sostanze di lavoro, come quelli composti da particelle interagenti o indistinguibili.

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