Logo
Logo

Квантовая тепловая машина

1  6.00 Двухуровневая система находится в контакте и термостатом температурой $T$. Найдите вероятности $p_0$ и $p_1$ нахождения атома в основном и возбуждённом состояниях соответственно.

Ответ: $$p_0 = \frac{1}{1 + e^{-E_1/(k_BT)}},\ p_1 = \frac{1}{1 + e^{E_1/(k_BT)}}.$$

2  10.00 На рисунке показана $P-V$ диаграмма так называемого цикла Отто, где $A \to B$ $C \to D$ — изохорические, а $B \to C$ и $D \to A$ — адиабатические процессы. Изобразите на схематичной диаграмме, как при этом меняются величины $E_1$ и $p_1$, найдите подведённую/отведённую теплоту, изменение внутренней энергии и совершённую работу для каждого из процессов цикла.

Ответ: В $A \to B$: $Q_1 = \Delta_1 \langle E \rangle = E_B (p_B - p_A),\,W_1 = 0;$

в $B \to C$: $W_2 = -\Delta_2 \langle E \rangle = (E_B - E_C) p_B,\,Q_2 = 0;$

в $C \to D$: $Q_3 = -\Delta_3 \langle E \rangle = E_D (p_B - p_A),\,W_3 = 0;$

в $D \to A$: $W_4 = -\Delta_4 \langle E \rangle = (E_D - E_A) p_A,\,Q_4 = 0.$

3  24.00 Аналогичным образом найдите подведённую/отведённую теплоту, изменение внутренней энергии и совершённую работу для каждого из процессов квантового цикла Карно. Если температуры нагревателя и холодильника в цикле Карно равны соответственно $T_h$ и $T_l$ и совпадают с максимальной и минимальной температурами, достигающимися в цикле Отто, сравните КПД этих двух циклов.

Ответ: В $A \to B$: $$Q_1 = \frac{E_{\mathrm{A}}}{1+e^{-E_A/(k_B T_h)}}-\frac{E_{\mathrm{B}}}{1+e^{-E_B/(k_B T_h)}}+k_{\mathrm{B}} T_{h} \ln \frac{1+e^{E_B/(k_B T_h)}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}},$$

$$\Delta E_1 = -\frac{E_{\mathrm{A}}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}}+\frac{E_{\mathrm{B}}}{1+e^{E_B/(k_B T_h)}},$$

$$W_1 = E_{\mathrm{A}}-E_{\mathrm{B}}+k_{\mathrm{B}} T_{h} \ln \frac{1+e^{E_B/(k_B T_h)}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}};$$

в $B \to C$: $$Q_2 = 0,$$

$$W_2 = -\Delta E_2 = -\frac{E_{\mathrm{C}}}{1+e^{E_C/(k_B T_h)}}+\frac{E_{\mathrm{B}}}{1+e^{E_B/(k_B T_h)}};$$

в $C \to D$: $$Q_3 = \frac{\frac{T_{l}}{T_{h}} E_{\mathrm{A}}}{1+e^{-E_A/(k_B T_h)}}-\frac{\frac{T_{l}}{T_{h}} E_{\mathrm{B}}}{1+e^{-E_B/(k_B T_h)}}+k_{\mathrm{B}} T_{l} \ln \frac{1+e^{E_B/(k_B T_h)}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}},$$

$$\Delta E_{3}=\frac{1}{1+e^{E_D/(k_B T_l)}} E_{\mathrm{D}}-\frac{1}{1+e^{E_C/(k_B T_l)}} E_{\mathrm{C}},$$

$$W_3 = E_C - E_D + k_{\mathrm{B}} T_{l} \ln \frac{1+e^{E_B/(k_B T_h)}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}};$$

в $D \to A$: $$Q_4 = 0,$$

$$W_4 = -\Delta E_4 = -\frac{E_{\mathrm{A}}}{1+e^{E_A/(k_B T_h)}}+\frac{E_{\mathrm{D}}}{1+e^{E_D/(k_B T_h)}}.$$

$\eta_{\text{Отто}} = 1 - \frac{T_C}{T_h} < \eta_{\text{Карно}}$