Физический закон, считавшийся незыблемым почти два столетия, оказался не таким универсальным, как предполагалось. Ограничение, введённое ещё в эпоху паровых машин, неожиданно дало сбой на уровне отдельных атомов. Это открытие меняет представления о том, как работает энергия в микромире. Об этом сообщает ScienceDaily.
В начале XIX века французский учёный Сади Карно сформулировал принцип, который определил максимальную эффективность тепловых машин. Он исходил из простой идеи: чем больше разница температур между нагретым и холодным резервуарами, тем больше полезной работы можно получить из тепла. Этот подход лёг в основу второго закона термодинамики и десятилетиями успешно описывал работу турбин, двигателей и промышленных установок.
Однако теория Карно создавалась для макроскопических систем, где детали взаимодействуют слабо и могут рассматриваться как независимые элементы. В таких условиях внутренняя структура машины почти не влияет на итоговую эффективность. Подобная логика хорошо работала для крупных механизмов и долгое время считалась универсальной.
Современные технологии всё чаще опускаются на уровень молекул и отдельных атомов. Здесь привычные допущения начинают давать сбои. Учёные из Штутгартского университета показали, что в микроскопических системах элементы находятся в тесной физической связи, которую классическая термодинамика просто не учитывает.
На таких масштабах начинают проявляться квантовые эффекты, а энергия может быть распределена не только в виде тепла, но и в форме тонких корреляций между частями системы. Похожие неожиданные закономерности физики находят и в других областях, включая исследования энтропии и статистики разрушений, описанные в материале о статистике осколков.
Новая теория показывает, что микродвигатели способны использовать не только температурную разницу, но и энергию, скрытую во внутренних взаимодействиях между частицами. Эти связи позволяют системе извлекать больше полезной работы, чем допускает классический предел Карно, не нарушая при этом фундаментальных законов физики.
Речь не идёт о "вечном двигателе" или обходе второго закона термодинамики. Вместо этого учёные уточняют условия, при которых этот закон применим. В квантовом мире границы оказываются шире, чем предполагалось, и эффективность может возрастать за счёт ранее игнорируемых факторов.
Практическое значение работы выходит далеко за рамки теории. Миниатюрные тепловые машины могут стать основой для новых источников энергии в микросистемах — от медицинских сенсоров до нанороботов и вычислительных устройств. Подобные идеи перекликаются с другими современными исследованиями, где физические принципы находят неожиданное применение, включая проекты по управлению микромашинами с помощью света, вошедшие в обзор научных прорывов 2025 года.