Work and heat at the mesoscale

Abstract

Title: Work and heat at the mesoscale Author: Bc. Šimon Pajger Department: Department of Macromolecular Physics Supervisor: RNDr. Artem Ryabov, Ph.D., KMF MFF UK Abstract: Understanding the conversion between heat and work by heat engines led to the discoveries of entropy and to the formulation of the Second law of clas- sical macroscopic thermodynamics. At the microscale and mesoscale, quantum coherences are a potential resource for various quantum processes. Quantum coherences can be used to enhance the performance of various devices beyond the limits demanded by classical physics. Recently many models have been es- tablished clarifying how coherences affect the speed and irreversibility of ther- modynamic processes and raising the question of what experimentally relevant consequences various generalizations of the formalism of classical thermodynam- ics to the microscopic level may have. Here we study a few of these models in great detail. Specifically, we discuss fluctuations of coherence-enhanced heat currents, propose a model of a heat engine that does work while being in a steady state, and derive a condition on the rate of decoherence that specifies, when coherence-enhanced currents provide a significant advantage over the case without any coherence. Then we discuss coherence-inducing heat bath...

Název práce: Teplo a práce v mesoskopických systémech Autor: Bc. Šimon Pajger Katedra: Katedra makromolekulární fyziky Vedoucí diplomové práce: RNDr. Artem Ryabov, Ph.D., KMF MFF UK Abstrakt: Pochopení přeměny tepla a práce v tepelních strojích vedlo k ob- jevu entropie a k formulaci druhého zákona klasické makroskopické termody- namiky. V mikroskopické a mesoskopické škále jsou kvantové koherence po- tenciálním zdrojem pro různé kvantové procesy. Kvantové koherence lze využít ke zvýšení výkonu různých zařízení za hranice klasické fyziky. V poslední době bylo vytvořeno mnoho modelů objasňujících, jak koherence ovlivňují rychlost a nevratnost termodynamických procesů, a vyvolávajících otázku, jaké experi- mentálně relevantní důsledky mohou mít různá zobecnění formalismu klasické termodynamiky na mikroskopickou úroveň. Zde se podrobně zabýváme několika z těchto modelů. Konkrétně se zabýváme fluktuacemi tepelných proudů zesílených koherencí, navrhujeme model tepelného stroje, který vykonává práci, zatímco je v ustáleném stavu, a taky odvozujeme podmínku na rychlost dekoherence, která určuje, kdy proudy zesílené koherencí poskytují významnou výhodu oproti případu bez jakékoli koherence. Dále se zabýváme...