Mesin Otto Kuantum berbasis partikel dalam kotak potensial satu dimensi

INDONESIA :

Berawal dari formulasi hukum gerak Newton yang menjadi dasar ilmu mekanika, terciptalah mesin panas klasik yang sangat berperan penting dalam perkembangan zaman. Akan tetapi efisiensi mejadi permasalahan besar pada mesin panas klasik sehingga dikembangkan alternatif untuk menggantikan mesin klasik berupa mesin kuantum yang merupakan pengembangan mesin panas klasik yang dianalogikan pada sistem mikroskopis. Pada penelitian ini dikaji efisiensi dan daya dari mesin Otto kuantum dengan variasi tiga tingkat energi dan tingkat energi N>3 menggunakan dua partikel simetri dan anti-simetri sebagai substansi kerja. Sistem berupa partikel yang terjebak dalam kotak potensial satu dimensi. Mesin Otto kuantum merupakan mesin dengan siklus Otto kauntum sebagai bentuk generalisasi siklus Otto klasik pada sistem kuantum dari modifikasi hukum pertama termodinamika klasik ke sistem kuantum. Hasil penelitian adalah nilai efisiensi yang hanya dipengaruhi oleh rasio lebar kotak potensial, baik pada sistem dua partikel simetri maupun anti-simetri dengan variasi jumlah tingkat energinya. Sedangkan daya mesin dipengaruhi oleh jumlah tingkat energi sistem, di mana semakin banyak jumlah tingkat energi maka daya mesin menjadi lebih tinggi. Jenis partikel juga mempegaruhi daya, yaitu daya mesin pada sistem partikel simetri lebih tinggi daripada daya mesin pada sistem partikel anti-simetri.

ENGLISH :

Beginning with Newton's formulation of motion laws as the foundation of mechanics, classical heat engines emerged and played a crucial role in technological advancement. However, efficiency remains a major challenge for classical engines, prompting the development of quantum engines as alternatives. These are microscopic analogs of classical heat engines. This research examines the efficiency and power output of a quantum Otto engine using three energy levels and N>3 energy levels, with symmetric and antisymmetric particles as the working substance. The system consists of particles confined in a one-dimensional potential box. The quantum Otto engine operates on a quantum Otto cycle, which generalizes the classical Otto cycle to quantum systems by modifying the first law of thermodynamics for quantum applications. The results show that efficiency depends solely on the ratio of the potential box width, regardless of whether the system uses symmetric or antisymmetric particles or varies in energy levels. In contrast, the engine's power output is influenced by the number of energy levels—higher energy levels yield greater power. Particle type also affects power, with symmetric particle systems producing higher power than antisymmetric particle systems.

ARABIC :

انطلاقًا من صياغة نيوتن لقوانين الحركة كأساس لعلم الميكانيكا، ظهرت محركات الحرارة الكلاسيكية التي أدت دورًا محوريًا في التطور التكنولوجي. لكن الكفاءة تشكل تحديًا رئيسيًا للمحركات الكلاسيكية، مما دفع إلى تطوير محركات كمومية كبديل. هذه المحركات هي نظائر مجهرية للمحركات الكلاسيكية. تبحث هذه الدراسة في كفاءة وقدرة محرك أوتو الكمومي باستخدام ثلاث مستويات طاقة ومستويات طاقة N>3 ، مع جسيمات متناظرة وغير متناظرة كمادة عمل. يتكون النظام من جسيمات محصورة في صندوق جهد أحادي البعد. يعمل محرك أوتو الكمومي بدورة أوتو الكمومية، التي تعمم دورة أوتو الكلاسيكية على الأنظمة الكمومية عبر تعديل القانون الأول للديناميكا الحرارية للتطبيقات الكمومية. أظهرت النتائج أن الكفاءة تعتمد فقط على نسبة عرض صندوق الجهد، بغض النظر عن استخدام الجسيمات المتناظرة أو غير المتناظرة أو اختلاف مستويات الطاقة. في المقابل، تتأثر قدرة المحرك بعدد مستويات الطاقة—حيث تؤدي المستويات الأعلى إلى قدرة أكبر. كما يؤثر نوع الجسيمات على القدرة، إذ تنتج أنظمة الجسيمات المتناظرة قدرة أعلى من الأنظمة غير المتناظرة.