Mesin kuantum Brayton pada potensial kotak satu dimensi

ABSTRAK

Peran penting mesin panas yang dapat memudahkan kita dalam berbagai hal menjadi alasan mengapa mesin panas terus dikembangkan. Dengan munculnya studi tentang termodinamika kuantum mendorong penelitian pengembangan mesin panas ke level mikroskopik yang disebut sebagai mesin panas kuantum.

Pada penelitian ini dikaji efisiensi dan daya dari mesin kuantum Brayton yang memiliki multi level energi dengan N partikel simetri dan antisimetri sebagai zat kerja dimana terperangkap dalam kotak potensial satu dimensi.

Mesin kuantum Brayton merupakan mesin kuantum dengan siklus Brayton kuantum, generalisasi siklus Brayton klasik dalam kasus kuantum yang didapatkan dengan memodifikasi hukum pertama termodinamika dengan sistem kuantum.

Hasil yang didapatkan dari penelitian ini ialah nilai efisiensi yang sama antara sistem N partikel simetri dengan sistem N partikel antisimetri dimana menunjukkan bahwa jumlah dan jenis partikel tidak mempengaruhi efisiensi mesin. Efisiensi mesin dipengaruhi oleh rasio lebar kotak potensial pada proses isobarik α dan rasio lebar kotak potensial terpendek dan terpanjang β. Efisiensi akan semakin stabil pada saat α meningkat seiring dengan meningkatnya β. Berbeda dengan efisiensi, daya mesin dipengaruhi oleh jumlah dan jenis patikel. Hubungan daya terhadap jumlah partikel ialah berbanding lurus, semakin banyak jumlah partikel yang menjadi zat kerja mesin maka akan semakin tinggi daya mesin tersebut. Daya maksimum yang tinggi dengan α yang rendah dapat meningkatkan efisiensi optimal mesin.

ABSTRACT

The important role of heat engines that can facilitate us in various ways is the reason why heat engines continue to be developed. The emergence of the study of quantum thermodynamics encourages research on the development of heat engines to the microscopic level called quantum heat engines.

In this study, the efficiency and power of a quantum Brayton machine that has multiple energy levels with N symmetry and antisymmetry particles as a working substance trapped in a one-dimensional potential box are studied.

The quantum Brayton machine is a quantum machine with a quantum Brayton cycle, a generalization of the classical Brayton cycle in the quantum case obtained by modifying the first law of thermodynamics with a quantum system.

The results obtained from this study are the same efficiency value between the N particle symmetry system and the N particle antisymmetry system which shows that the number and type of particles do not affect the efficiency of the engine. The efficiency of the machine is influenced by the ratio of the potential box width in the isobaric process α and the ratio of the shortest and longest potential box width β. The efficiency will be more stable as α increases along with β. Unlike efficiency, engine power is affected by the number and type of particles. The relationship of power to the number of particles is directly proportional, the more the number of particles that become the working substance of the machine, the higher the power of the machine. High maximum power with low α can increase the optimum efficiency of the engine.

مستخلص البحث

إن الدور المهم الذي تلعبه المحركات الحرارية في تسهيل الأمور بالنسبة لنا هو السبب وراء استمرار تطوير المحركات الحرارية. إن ظهور دراسة الديناميكا الحرارية الكمومية دفع البحث إلى تطوير المحركات الحرارية إلى المستوى المجهري وهو ما يعرف بالمحرك الحراري الكمي.

في هذا البحث، تمت دراسة كفاءة وقوة آلة برايتون الكمومية التي لديها مستويات طاقة متعددة مع جسيمات N متماثلة وغير متماثلة كمواد عاملة محاصرة في صندوق محتمل أحادي البعد.

آلة برايتون الكمومية هي آلة كمومية بدورة برايتون الكمومية، وهي تعميم لدورة برايتون الكلاسيكية في الحالة الكمومية والتي يتم الحصول عليها عن طريق تعديل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع نظام كمي.

النتائج التي تم الحصول عليها من هذا البحث هي نفس قيم الكفاءة بين نظام جسيمات N المتماثل ونظام جسيمات N غير المتماثل، مما يدل على أن عدد ونوع الجزيئات لا يؤثر على كفاءة المحرك. تتأثر كفاءة الماكينة بنسبة عرض الصندوق المحتمل في العملية متساوية الضغط α ونسبة عرض الصناديق المحتملة الأقصر والأطول β. ستصبح الكفاءة أكثر استقرارًا عندما تزيد α مع زيادة β. وعلى النقيض من الكفاءة، تتأثر قوة المحرك بعدد ونوع الجزيئات. العلاقة بين القوة وعدد الجزيئات تتناسب طرديا، فكلما زاد عدد الجزيئات التي تشكل المادة العاملة للمحرك، زادت قوة المحرك. يمكن أن تؤدي الطاقة القصوى العالية مع انخفاض α إلى زيادة الكفاءة المثلى للمحرك.