Quantum-Wärmenmotoren und Kühlschränke: Kontinuierliche Geräte

Die Quanten-Thermodynamik liefert eine konsistente Beschreibung von Quanten-Wärmenmotoren und Kühlschränken bis hin zu einem einzelnen, wenigen Ebenensystem, das mit der Umgebung gekoppelt ist. Sobald die Umgebung in drei Teile (ein heißes, kaltes und Arbeitsreservoir) aufgeteilt wird, kann ein Wärmemotor betrieben werden. Das Gerät wandelt den positiven Gewinn in Leistung um, wobei der Gewinn aus der Bevölkerungsinversion zwischen den Komponenten des Geräts gewonnen wird. Eine Umkehrung des Betriebs verwandelt das Gerät in einen Quanten-Kühlschrank. Das Quanten-Dreirad, ein Gerät, das durch drei externe Anschlüsse mit drei Wärmereservoirs verbunden ist, wird als Vorlage für Motoren und Kühlschränke verwendet. Die Bewegungsgleichung für die Wärmeströme und die Leistung kann aus den ersten Prinzipien abgeleitet werden. Nur eine globale Beschreibung der Kopplung des Geräts an die Reservoirs ist mit den ersten und zweiten Gesetzen der Thermodynamik vereinbar. Die Optimierung der Geräte führt zu einem ausgewogenen Satz von Parametern, in dem die Kopplungen an die drei Reservoirs von gleicher Ordnung sind und das externe Anregungsfeld in Resonanz ist. Bei der Analyse von Kühlschränken muss besonderes Augenmerk auf eine dynamische Version des dritten Gesetzes der Thermodynamik gelegt werden. Grenzen für die Kühlrate, wenn Tc→0, werden durch die Optimierung des Kühlstroms erhalten. Alle Kühlschränke zeigen bei Tc→0 universelles Verhalten. Die dynamische Version des dritten GesetzesAuferlegt Beschränkungen für die Skalierung von γc und der Wärmekapazität cV des kalten Bades, wenn Tc→0.