På slutten av 1800-tallet foreslo den britiske fysikeren James Maxwell et tankeeksperiment som tilsynelatende bryter med lovene om termodynamikk. Som et resultat ble den sentrale karakteren av dette eksperimentet kalt Maxwells demon. La oss prøve å finne ut hva som er bemerkelsesverdig ved denne fiktive enheten.
Maxwells demon er en hypotetisk enhet foreslått av James Clerk Maxwell i et av hans tankeeksperimenter, antagelig i 1871.
Hva har demonen og Maxwell med det å gjøre? Generelt er essensen foreslått av Maxwell en slags motstridende gud fra maskinen, kan man si, som oppdaget en måte å omgå en av de mest grunnleggende og ubestridelige lovene i universet - den andre loven om termodynamikk. Opprinnelig tok vitenskapsmannens kolleger ikke tankeeksperimentet på alvor og var til og med forvirret, fordi denne "essensen" kan bety at du til slutt kan glemme å kaste bort kull og bare få en jobb uendelig, faktisk, ut av ingenting.
Og nå vil vi prøve å finne ut hvorfor Maxwells demon forårsaket forvirring blant vitenskapens lysarmaturer på slutten av 1800-tallet.
Maxwells demon - et smutthull i entropi
Maxwells tankeeksperiment ble opprinnelig nevnt i forskerens korrespondanse med Peter Tate rundt 1867. Den ble senere introdusert for publikum i Maxwells bok om termodynamikk kalt Theory of Heat, utgitt i 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Kampanjevideo:
Til tross for at Maxwell selv aldri brukte ordet "demon" når han beskrev eksperimentet, åpnet agenten hans døren (i skilleveggen i gassboksen vår) mellom kamrene som et "begrenset vesen." Denne enheten ble først kalt "demon" av William Thomson, kjent som Lord Kelvin, for å beskrive Maxwells agent i Nature i 1874. Som en begrunnelse argumenterte han for at han ønsket å betegne essensens formidlende natur på denne måten og ikke i noe tilfelle skulle fokusere på den negative konnotasjonen av selve ordet.
Så tilbake til eksperimentet. Dette er først og fremst et lukket system. Det foreslåtte apparatet består av en enkel kuboid, som inneholder noe vilkårlig gass. Cuboid er delt inn i to like store seksjoner med samme, jevne temperatur. På veggen som deler seksjonen, sitter en demon og plukker nøye tilfeldig spredte partikler slik at alle partikler med høy kinetisk energi samles i en seksjon, mens resten - med lav kinetisk energi - forblir i en annen.
Vi kan si at denne demonen er en metafor for en enhet eller en maskin som er i stand til å nøye analysere hastigheten eller den kinetiske energien til hver partikkel i en hvilken som helst beholder. Basert på analysen kan tilpasningen bestemme nøyaktig hvilke partikler den omtrent skal holde for seg selv og hvilke - bli kvitt.
Venstre: to seksjoner fylt med gass. Til høyre: Maxwells demon som åpner og lukker døren i skilleveggen mellom seksjonene / J. Hirshfield.
I mellomtiden strider dette mot den allment aksepterte oppfatningen om at gasspartikler ved konstant temperatur beveger seg med samme hastighet. Likevel er den samme hastigheten deres gjennomsnittshastighet, noe som betyr at det er partikler som beveger seg med høyere hastighet, og det er partikler som beveger seg med lavere hastighet, og reduserer alt til en gjennomsnittsverdi.
Gjennom denne prosessen - demonens handlinger Maxwell - blir alle høyenergipartikler kjørt inn i en seksjon. Demonen hevet temperaturen på den ene delen av esken sammenlignet med den andre. Denne overskuddstemperaturen eller trykket kan brukes til å drive turbinen eller stempelet. Ja, det følger at vi får energi fra bokstavelig talt ingenting. Med andre ord, demon har redusert entropi uten å bruke noen anstrengelser.
Det er imidlertid nødvendig å forstå at den listige demonen brukte triksene sine og som et resultat var i stand til å motsette loven om entropi, men han brøt ikke loven om bevaring av energi. Han fordelte ganske enkelt tilfeldig kinetisk energi for å skape en trykkdifferensial som var tilstrekkelig til å hente energi fra et opprinnelig balansert system. Demonens utspekulerte bedragte naturen selv!
Kan et slikt apparat eksistere?
Uansett kan ikke et slikt apparat skapes i virkeligheten. Naturen blir ikke lett lurt. Selvfølgelig var den listige og smarte demonen i stand til å unngå de undertrykkende sanksjonene i termodynamikkens andre lov, men han kan ikke komme vekk fra det allsynende øye med termodynamikkens første lov.
I henhold til termodynamikkens første lov er ingen maskiner i stand til å fungere uten en varmekilde, og i arbeidsprosessen kan den også delvis absorbere den. Eller prosessytelsen vil aldri nå 100 prosent. Ikke bare trenger maskiner stimulansen i form av varme, de trenger også å absorbere den, og hever dermed sin egen temperatur.
Omdannelsen av termisk energi til mekanisk energi i dampmotorer er ikke absolutt. Noe av varmen absorberes av selve motoren, noe som reduserer ytelsen og øker entropien rundt den.
Hvis demonen er en høyteknologisk maskin som selektivt sporer visse partikler, oppstår spørsmålet: hvor får den energi fra å gjøre jobben sin? Selv om han på en eller annen måte klarer å gjøre dette, nekter utvidelsen i forhold til maskinens termiske ytelse fortsatt muligheten for en reduksjon i entropi.
Overgangen til et lukket system fra lav til høy entropi / sokratisk.
En demon eller maskin måtte få informasjon om partiklene. Ta for eksempel fotoner. I ferd med å samhandle med dem vil et komplekst apparat som Maxwells demon uunngåelig bruke energi og absorbere noe av selve varmen, øke den totale entropien og bringe den tilbake til sin opprinnelige verdi.
Poenget med argumentet er at, ifølge beregninger, vil enhver demon uunngåelig "generere" mer entropi ved å skille molekyler enn han noen gang kan "ødelegge" den - dette er i samsvar med prinsippene den er basert på. Med andre ord vil det ta mye mer termodynamisk arbeid å bestemme hastigheten til molekyler og velge dem til å passere gjennom døren mellom seksjonene enn mengden energi oppnådd fra temperaturforskjellen som oppstod etter utført arbeid.
Uansett skal det bemerkes at Maxwell var veldig utspekulert. Imidlertid, hvis det ikke var den første loven om termodynamikk, ville ingenting ha reddet den andre loven fra offentlig skam.
Vladimir Guillen
