量子熱機()的一大特點就是工作原理比較奇特，但是在個別情況下性能要優(yōu)于傳統(tǒng)底盤。但是，當(dāng)初對量子熱機的研究可能低估了它的性能。在一項新的研究中，數(shù)學(xué)學(xué)家早已重新調(diào)整了估算量子熱機效率的方式。她們表示，量子熱機系統(tǒng)的最終效率其實不會像傳統(tǒng)底盤一樣遭到熱力學(xué)第二定理的阻礙，但仍然趕超不了基本的化學(xué)學(xué)上限。
圖為量子熱機一沖程和三沖程
日本埃爾朗根-慕尼黑學(xué)院的化學(xué)學(xué)家Abah和EricLutz在近來的一期亞洲化學(xué)快報(EPL)上發(fā)表了一篇關(guān)于量子熱機能效的論文。Abah目前是美國愛丁堡女王學(xué)院1851年皇家展覽委員會研究員。
無論是量子熱機還是傳統(tǒng)底盤，其性能在很大程度上取決于能量效率（能量輸出與能量輸入的百分比）和功率(給定時間內(nèi)的能量輸出速度)。傳統(tǒng)的底盤在效率與功率這兩者之間找尋平衡。這就意味著當(dāng)增強其中一個參數(shù)時怎樣提高熱機的效率，另一個參數(shù)值必然要升高。但是，對于量子熱機而言怎樣提高熱機的效率，同時提升效率和功率的可能性是存在的。也就是說，通過合適的方式，量子熱機可以從相同的能量輸入條件下輸出更多的能量，但是比之前的速度更快。
這一技巧被稱為“絕熱捷徑”(to)技術(shù)。顧名思義，絕熱捷徑技術(shù)能讓量子熱機在特別短的時間內(nèi)模擬絕熱操作。絕熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是科學(xué)家們熱切關(guān)注的，由于這一技術(shù)可以降低煤耗，極大提升系統(tǒng)的效率，進而提升系統(tǒng)的動力，以及降低系統(tǒng)的輸出功率。
盡管之前的研究早已證明了絕熱捷徑技術(shù)才能提升引擎的性能，并且在最終估算系統(tǒng)的效率時，這種方式一般沒有考慮到絕熱捷徑合同的能量成本。這樣一來，絕熱捷徑帶來能源效率的提高看起雖然成本相當(dāng)?shù)停瑢嶋H上卻夸大了量子熱機的療效。
在新的研究中，Abah和Lutz開發(fā)了一種評估量子熱機系統(tǒng)性能的技巧。這一技巧也將絕熱捷徑的能源成本估算在內(nèi)。她們的研究結(jié)果表明，只有絕熱捷徑足夠快，能夠提升系統(tǒng)的性能。由于更快的絕熱捷徑意味著更低的能源成本。這就會帶來真正意義上的能效提高
Abah在訪談中還表示：“我們的研究工表明，雖然將絕熱捷徑的能源成本考慮在內(nèi)，也可以通過絕熱捷徑的方法來同時實現(xiàn)更高的效率和功率。”
這兩位數(shù)學(xué)學(xué)家還稱，無論量子熱機使用哪些樣的絕熱捷徑，它們的效率都是有上限的。但令人錯愕的是，量子熱機遇見的限制要比傳統(tǒng)底盤的限制愈加嚴(yán)格。
正如這種化學(xué)學(xué)家所解釋的那樣，量子熱機上限更嚴(yán)格的緣由是精典熱學(xué)不會對過程的速率形成限制，而量子力學(xué)會有速率限制。科學(xué)家計劃通過比較不同的捷徑方法，以確定最節(jié)能的熱機。理解量子速率限制和由此帶來的對量子系統(tǒng)的根本性限制對于設(shè)計未來的量子熱機是至關(guān)重要的。
“小型化的趨勢將不可防止地造成機器顯得越來越小，這樣一來，它們的動力學(xué)都會遵守量子熱學(xué)的規(guī)律而不再是精典熱學(xué)。”Abah最后總結(jié)說，“這些機器的屬性必將順著量子熱力學(xué)的規(guī)律發(fā)展下去。”
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