Second law of thermodynamics and thermally excited quantum oscillators

Abstract

Появление газодинамического лазера, первого действующего прибора, который использует принцип квантовой генерации электромагнитных колебаний и непосредственно преобразует тепловую энергию в когерент-ное излучение, возродило интерес к взаимосвязи между развивающейся квантовой электроникой и термодинамикой, наукой с хорошо устояв-шимися положениями. При ознакомлении с историей оказалось, что идея непосредственного преобразования тепла в когерентное излучение •с помощью квантовых генераторов была высказана довольно давно, в 1959 г., еще до появления лазеров. Оказалось также, что второе начало термодинамики остается справедливым для тепловых машин (генераторов излучения), у которых рабочее тело имеет дискретный, ограниченный сверху энергетический спектр.Представляется интересным проанализировать в новой ситуации эти незаслуженно забытые работы. G педагогической точки зрения дока-зательство второго начала, основанное на квантовых переходах частиц между дискретными уровнями энергии, оказывается проще, чем тради-ционный способ с использованием циклического процесса. 2. ТЕПЛОВОЙ МАЗЕР Из электронного парамагнитного резонанса известно, что населен-ность спиновых уровней парамагнитной частицы можно изменить, если образец поместить в переменное магнитное поле радиочастоты. Перемен-ное поле должно быть резонансным, т. е. его частота должна соответ-ствовать расстоянию по энергии между уровнями, и достаточно сильным чтобы вероятность квантовых переходов под действием поля была срав-нима со скоростью процессов релаксации, которые стремятся восстано-вить нарушенное распределение частиц по спиновым уровням. Если радио-частотного поля нет, то парамагнетик находится в термически равновесном состоянии и распределение частиц по уровням больцмановское. В кри-© Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». «Успехи физических наук» 1976 г

Work extremum principle: Structure and function of quantum heat engines

“…͑82͒ can be negative, e.g., for T h = T c , which means that the work is put into the system. 8 An example of such a behavior is given by a harmonic oscillator with frequency , where n = បn, and the specific heat is…”

Two Level Metal Vapor Lasers with Thermal Creation of Population Inversion

“…The nearsurface layer is determined by the average thermal speed of these atoms and the lifetime of the excited lowest level of the 4f Nÿ1 5d6s 2 configuration. (iii) Contrary to the conclusions made in [4], a cooler is not required for the process of thermal creation of population inversion (cooler acts only as a condenser, preventing evaporated atoms from returning to metal surface). The population inversion takes place in the two level system.…”

“…The analysis of the above-listed methods for direct heat conversion into electromagnetic radiation in Ref. [4] showed that quantum generators with thermal excitation comply with the second law of thermodynamics and it is necessary to use both a heater and a cooler (heat machine) for their operation. For example, the population inversion in ruby sample appears during temperature leveling [2].…”

Adaptive Heat Engine

“…Effectively large temperatures arise naturally in biomolecular systems due to the stored energy, which-when recalculated in terms of temperature-is some 20-50 times larger than the room temperature [31]. The model (1,5) was introduced and studied in the quantum setting [6][7][8][9][10], as a model for maser. Closely related models were studied recently in the context of photovoltaic engines [15].…”

“…the machine does not function as a heat-engine; cf. (7). Thus the coupling between structure and function, which is encoded in P (E 1 , E 2 , E 3 ) must be informative.…”