การแสดงแบบจำลองการสปินทางควอนตั้มเข้ากับหลักการของเครื่องยนต์ความร้อน

          ทฤษฎีทางควอนตั้มคลาสสิคที่มีอยู่ในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็น หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบริ์ก,ทฤษฎีโฟโต้อิเล็กทริกซ์ รวมทั้งสามารถนำไปประยุกต์ใช้เกี่ยวกับทางกลศาสตร์ควอนตั้ม นั้นมีมากหลายอย่างในปัจจุบัน เช่น การศึกษาเกี่ยวกับควอนตั้มคอมพิวเตอร์, การศึกษาโครงสร้างทางเคมีโดยใช้หลักการควอนตั้มเคมีนั้นมาประยุกต์ใช้ ล้วนต่อยอดมาจากกลศาสตร์คลาสิค และ กลศาสตร์ควอนตั้มพื้นฐาน รวมถึงหลักการทางความร้อนที่ใช้กับเครื่องยนต์นั้นได้นำหลักการและพื้นฐานนั้นมาจากหลักการทางเทอร์โมไดนามิกฟิสิกส์เพื่อใช้ขับเคลื่อนในยานพาหนะซึ่งสามารถนำกลศาสตร์ทางควอนตั้มนั้นนำมาปรับปรุงและประยุกต์ใช้ได้ ไม่ว่าจะเป็นใน รถยนต์ และ รถจักรยานยนต์ในปัจจุบัน


          ในทฤษฎีนี้จะพูดถึงเกี่ยวกับการนำควอนตั้มไปใช้ในหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนในรอบ7ทศวรรษที่ผ่านมา เมื่อ60ปีที่ผ่านมานั้นได้มีบุคคลแรกที่ได้นำหลักการควอนตั้มไปใช้ในทางเครื่องยนต์ทางความร้อนได้แก่ Scovil and Schulz-DuBois สองนักฟิสิกส์จากBell Labs ที่ได้อธิบายการเปรียบเทียบระหว่าง three-level masers และ เครื่องจักรทางความร้อน(Thermal machines)


          แต่แล้วในปีต่อๆมา ได้มีนักวิจัยได้ทำการพัฒนาทฤษฎีควอนตั้มเครื่องยนต์ความร้อน โดยยึดหลักพื้นฐานจาก Scovil and Schulz-DuBois ซึ่งจะนำเสนอเกี่ยวกับวัฎจักรเทอร์โมไดนามิกที่อยู่ถึงในระดับควอนตั้มสเกล ซึ่งในเมื่อเร็วๆนี้ นักฟิสิกส์ได้เริ่มทำทดสอบและปรับปรุงทฤษฎีเหล่านี้เพื่อใช้ในการ ติดตั้งการทดลองในลำดับต่อไป


          ซึ่งหนึ่งในการทดลองนั้นมาจากนักวิจัยที่ได้ทำการศึกษาจาก  University of Waterloo, Universidade Federal do ABC และ Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas ได้ทำการติดตั้งการทดลองและพิสูจน์การสปินควอนตั้มเครื่องยนต์ความร้อนได้สำเร็จและผลงานเหล่านี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวรสารทางวิชาการPhysics Review Letters โดยที่เครื่องยนต์ความร้อนได้อ้างอิงและยึดหลักพื้นฐานมาจากการสปินของควอนตั้มที่-1/2ซึ่งหมายถึง อิเล็กตรอนนั้นจะถูกทำการสปินลงภายในออร์บิทัล และ เทคนิคการแรโซแนนท์ของนิวเคลียร์แมคเนติก


          Roberto Serra หนึ่งในนักวิจัยและได้ทำการศึกษาค้นคว้าและปรับปรุงในทางด้าน quantum thermodynamics ได้อธิบายไว้ว่า ศาสตร์ควอนตั้มนี้เป็นอะไรที่เร่งด่วนที่จะต้องได้รับการพัฒนาซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่เกี่ยวข้องใน เทคโนโลยีควอนตั้ม ซึ่งจะทำให้เกิดการผลิกโฉมและปฎิวัติอุตสาหกรรมให้เป็นไปทางในรูปแบบใหม่โดยใช้การยึดหลักจาก ไมโครสเกล เป็น นาโนสเกล ไม่ว่าจะเป็นในการคำนวณทางอุปกรณ์ การสื่อสาร และ เซนเซอร์ที่ใช้ในทางอุตสาหกรรมอื่นๆอีกด้วย


          Roberto Serra และ คณะ ได้ทำการพิสูจน์และทดลองหลักทางควอนตั้มเครื่องยนต์ทำความร้อนโดยใช้หลักที่ว่า การสปินของนิวเคลียร์นั้นจะต้องถูกสปินในโมเลกุลของคอร์โรฟอร์ม และ เทคนิคของนิวเคลียร์แมคเนติกเรโซแนนท์ โดยนักวิจัยได้ทำการเตรียมสสารเฉพาะเจาะจง ของคาร์บอนอยู่ที่13ไอโซโทป โดยใช้เทคนิค สนามคลื่นวิทยุ โดยที่ใช้กระบวนการผลิตทางเทอร์โมไดนามิกทางความร้อนที่สามารถนำไปใช้ได้ในเครื่องยนต์ยานพาหนะจาก วัฎจักรออตโต้ ดังจะได้กล่าวในลำดับถัดไปว่า วัฎจักรออโต้คืออะไรกันแน่


          สำหรับวัฎจักรออโต้ หรือ เรียกอีกอย่างนึงว่า วัฎจักรปริมาตรคงที่ ซึ่งได้นำหลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์ ที่อธิบายถึง วัฎจักรทางอุดมคติที่ใช้ร่วมกับเครื่องยนต์จุดระเบิดผู้คิดค้น คือ Nikolaus A. Otto เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินแบบ4จังหวะ จะมีหลักการที่ว่า เมื่อลูกสูบของเครื่องยนต์ทำการดูดอากาศเข้าไปในห้องเครื่องลูกสูบ เพื่อทำให้ก๊าซออกซิเจนไปทำปฎิกิริยากับน้ำมันภายใน เกิดออกซิเดชั่น จากนั้น ลูกสูบจะทำการอัดอากาศจะส่งผลให้ความดันภายในเพิ่มมากขึ้น จากนั้นจุดระเบิดภายในห้องเครื่อง จะมีหัวเทียน(Spark Ignition)ทำการจุดระเบิดภายในห้องเครื่องของลูกสูบนั้นทำให้เกิดเชื้อเพลิงส่งผลให้เกิดพลังงานทางความร้อนภายในห้องเครื่อง ทำให้เครื่องยนต์นั้นทำงาน และ ลูกสูบดังกล่าวเมื่อผ่านการจุดระเบิดเสร็จสิ้นจะทำการคายจังหวะลูกสูบอีกที ซึ่งจะเป็นพื้นฐานที่จะกล่าวถึงในลำดับต่อไปว่า เกี่ยวข้องยังไงกับควอนตั้มเครื่องยนต์ความร้อน

            จากวัฎจักรออโต้นำมาซึ่งนำมาศึกษาเมื่อเกิดความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานการณ์สปินของอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นจากสถานะพื้น หรือที่เรียกว่า excited states ไปสู่ในระดับชั้นพลังงานต่างๆซึ่งจะทำให้เกิดพลังงานความร้อนขึ้นกับระบบในแมคโครสโคปิกเทอร์โมไดนามิกส์ และ เอนโทรปีในระบบ ซึ่งจะส่งผลให้เกิดสถานะนิวเคลียร์อิเล็กตรอนสปินนั้นมีการเพิ่มขึ้นและลดคล้ายกับการขยายและอัดตัวภายในกระบอกสูบทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนและความเย็นภายในระบบ ซึ่งจากภาพที่4นั้น จะเป็นการแสดงหลักการทำงานของความร้อนภายในระบบของวัฎจักรออตโต้ เริ่มจากเส้นทาง1-2 เรียกว่า isentropic process อากาศและเชื้อเพลิงจะถูกอัดเข้าไปภายในลูกสูบทำให้ปริมาตรภายในลูกสูบลดลงแต่ความดันเพิ่มขึ้นเล็กน้อย และมีการเพิ่มขึ้นของความถี่จากการสั่นแบบฮาร์โมนิคของการสปินอิเล็กตรอน จากนั้นในระยะเวลา2-3 จะเกิดการดึงความร้อนเข้าสู่เชื้อเพลิงและเกิดการเผาไหม้ในระยะเวลาอันสั้น และ มีค่าคงที่ของความถี่จากการสปินอิเล็กตรอน ต่อมาในระยะ3-4จะเกิดความดันสูงขึ้น และ ความร้อนที่เพิ่มขึ้นภายในจะเรียกลักษณะนี้ว่า Adiabatic process ทำให้เกิดงานภายใน และมีการลดลงของคลื่นจากการสปินอิเล็กตรอนเพื่อรักษาอุณหภูมิที่สูงขึ้น จนกระทั่งระยะที่4 จะนำความร้อนออกสู่ระบบต่อไป และ การสปินของอิเล็กตรอนจะรักษาคลื่นที่มีอยู่ให้ทำงานภายในระบบเพื่อลดและรักษาอุณหภูมิที่ต่ำลงให้คงที่ในระบบต่อไป Serra ได้กล่าวไว้

            เมื่อเกิดการผันผวนทางพลังงานเป็นสิ่งสำคัญที่สุดในทางทฤษฎีควอนตั้ม ที่ Serraและคณะได้ให้ความสำคัญเกี่ยวกับเรื่องนี้ เมื่อทำการวัดการผันผวนพลังงานในวัฎจักรเทอร์โมไดนามิก อย่างไรก็ตาม Serraและคณะได้ค้นพบ สิ่งที่มหัศจรรย์และน่าเหลือเชื่อที่ว่า การทำงานของวัฎจักรควอนตั้ม-ออตโต้นั้น มีค่ากำลังสูงสุด(Maximum power) ที่จะทำให้ควอนตั้มเครื่องยนต์ความร้อนนั้น มีประสิทธิภาพของงานอยู่ที่ ประมาณ 42% ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับ ค่าจำกัดทางเทอร์โมไดนามิกจะมีประสิทธิภาพของงานอยู่ที่ 44%


          John Peterson หนึ่งในผู้เขียนและศึกษาเกี่ยวกับควอนตั้มเครื่องยนต์ความร้อนได้อธิบายไว้ว่า ในเร็วๆนี้การทดลองของพวกเราได้ทำการทดสองคุณสมบัติทั้งหมดของการผันผวนทางพลังงาน ใน งาน และ ความร้อน นอกเหนือจากการเปลี่ยนทางสเกลควอนตั้ม เมื่อกระบวนการเกิดที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วของเครื่องผลิตโมเลกุลของพวกเรา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่าง สถานะการสปิน ที่จะเกี่ยวข้องกับ การเสียดทานทางควอนตั้ม(Quantum Friction) ที่จะช่วยลดประสิทธิภาพทางการเสียดทานควอนตั้มที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ความร้อน การเสียดทานที่ได้กล่าวไปข้างต้นนี้ จะเป็นส่วนเกี่ยวข้องทำให้เอนโทรปีในระบบนั้นเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้ามกระบวนการภายในระบบที่เกิดขึ้นนั้นช้า หมายความว่า การเสียดทานทางควอนตั้มลดลง เพราะฉะนั้น จะส่งผลให้พลังงานนั้นมีค่าที่ต่ำ และ มีสถานะที่ต่ำทางการเสียดทานทางควอนตั้ม และ จะส่งผลให้กระบวนการเกิดเอนโทรปี ในระบบนั้นน้อยลงการผันผวนจะต่ำลง


          ในการทดลองของพวกเรา การสปินขนาดเล็กในเครื่องยนต์นั้นมีประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกับค่าจำกัดทางเทอร์โมไดนามิกที่ค่ากำลังสูงสุด(maximum power) ที่ซึ่งดีกว่ารถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ทั่วไปในขณะนี้ Serra ได้กล่าว แต่การสปินควอนตั้มในระบบเครื่องยนต์นั้น ยังมีจุดบกพร่องอยู่ในด้านของกระบวนการทำงานและกระบวนการผลิตซึ่งได้ปริมาณพลังงานจาก คลื่นที่เล็กน้อยมาก อีกทั้งยังจะต้องปรับปรุงและแก้ไขการสปินนิวเคลียร์อื่นๆให้เพียงพอต่อการนำมาใช้ในการทดลองนี้ 


          งานในอนาคตข้างหน้า Serraและคณะ หวังว่าจะหาหนทางในการเพิ่มประสิทธิภาพของ อนุภาคควอนตั้มขนาดเล็กในเครื่องทำความร้อน อีกทั้ง งานนี้ยังสามารถนำไปปรับใช้ใน ควอนตั้มขั้นสูงสำหรับเครื่องทำความเย็น ซึ่งสิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นส่วนทำให้เกิดการต่อยอดในทางควอนตั้มคอมพิวเตอร์ และ ศาสตร์อื่นๆทางควอนตั้มต่อๆไป

 
อ้างอิง

• https://phys.org/news/2019-12-experimental-quantum.html
• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.240601
• https://ienergyguru.com/2015/09/thermodynamics-cycle/