XIX amžiaus pabaigoje britų fizikas Jamesas Maxwellas pasiūlė minties eksperimentą, kuris, atrodo, pažeidžia termodinamikos dėsnius. Todėl pagrindinis šio eksperimento veikėjas buvo pavadintas Maksvelo demonu. Pabandykime išsiaiškinti, kas šiame fantastiniame darinyje yra nepaprastas.
Maksvelo „Demonas“yra hipotetinis darinys, kurį pasiūlė Jamesas Clerkas Maxwellas viename iš savo minties eksperimentų, tikriausiai 1871 m.
Ką bendro su tuo turi demonas ir Maksvelas? Apskritai Maxwello pasiūlyta esmė yra tam tikras prieštaringas dievas iš mašinos, galima sakyti, kuris atrado būdą apeiti vieną pagrindinių ir neginčijamų Visatos dėsnių - antrąjį termodinamikos dėsnį. Iš pradžių mokslininko kolegos rimtai nesureikšmino minčių eksperimento ir netgi buvo sutrikę, nes ši „esmė“gali reikšti, kad pagaliau galite pamiršti anglies švaistymą ir tiesiog gauti darbą be galo, tiesą sakant, iš nieko.
Ir dabar mes bandysime išsiaiškinti, kodėl Maxwello demonas XIX amžiaus pabaigoje sukėlė sumišimą tarp mokslo šviesulių.
Maksvelo demonas - spraga entropijoje
Iš pradžių Maksvelo minties eksperimentas buvo paminėtas mokslininko susirašinėjime su Peteriu Tate'u apie 1867 m. Vėliau jis buvo pristatytas visuomenei Maxwello knygoje apie termodinamiką „Šilumos teorija“, išleistoje 1872 m.
James Clerk Maxwell / Gresham koledžas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Nepaisant to, kad pats Maksvelas apibūdindamas eksperimentą niekada nevartojo žodžio „demonas“, jo agentas atvėrė duris (mūsų dujų dėžutės pertvaroje) tarp kamerų kaip „ribotą būtybę“. Pirmą kartą šią esybę Williamas Thomsonas, žinomas kaip lordas Kelvinas, pavadino „demonu“, apibūdindamas agentą Maxwell gamtoje 1874 m. Kaip pateisinimą jis teigė, kad tokiu būdu norėjo paskirti tarpininkaujantį esmės pobūdį ir jokiu būdu neketino pabrėžti neigiamo paties žodžio atspalvio.
Taigi grįžkime prie eksperimento. Tai visų pirma yra uždara sistema. Siūlomas aparatas susideda iš paprasto kvadrato, kuriame yra savavališkų dujų. Kvadratas yra padalintas į dvi vienodo dydžio dalis su vienoda, vienoda temperatūra. Ant sienos, skiriančios sekciją, sėdi demonas, atsargiai rinkdamas atsitiktinai išsibarsčiusias daleles, kad visos didelę kinetinę energiją turinčios dalelės būtų surenkamos viename skyriuje, o likusios - su maža kinetine energija - liktų kitoje.
Galime sakyti, kad šis demonas yra metafora, skirta prietaisui ar mašinai, gebančiai kruopščiai analizuoti kiekvienos dalelės bet kuriame inde greitį ar kinetinę energiją. Remiantis jos analize, adaptacija gali tiksliai nustatyti, kurias daleles ji turėtų, grubiai tariant, pasilikti sau, o kurias - atsikratyti.
Kairėje: dvi sekcijos, pripildytos dujų. Dešinėje: Maxwello demonas atidaro ir uždaro duris pertvaroje tarp sekcijų / J. Hirshfieldas.
Tuo tarpu tai prieštarauja visuotinai pripažintai nuomonei, kad pastovios temperatūros dujų dalelės juda tuo pačiu greičiu. Nepaisant to, tas pats greitis yra jų vidutinis greitis, o tai reiškia, kad yra dalelių, judančių didesniu greičiu, ir yra dalelių, judančių mažesniu greičiu, viską sumažinant iki vidutinės vertės.
Per šį procesą - demono Maksvelo veiksmus - visos didelės energijos dalelės vėliau yra varomos į vieną sekciją. Demonas pakėlė vienos dėžės dalies temperatūrą, palyginti su kita. Ši perteklinė temperatūra ar slėgis gali būti naudojami turbinos ar stūmoklio varikliui. Taip, iš to išplaukia, kad energijos gauname tiesiogine prasme iš nieko. Kitaip tariant, demonas sumažino entropiją, neišleisdamas jokių pastangų.
Tačiau reikia suprasti, kad gudrusis demonas panaudojo savo triukus ir dėl to galėjo prieštarauti entropijos dėsniui, tačiau jis nepažeidė energijos išsaugojimo dėsnio. Jis tiesiog perskirstė atsitiktinę kinetinę energiją, kad sukurtų slėgio skirtumą, kurio pakaktų energijai pasisemti iš pradžių subalansuotos sistemos. Gudrus demono apgaudinėjo pati gamta!
Ar gali egzistuoti toks aparatas?
Kaip bebūtų, tokio aparato realybėje sukurti negalima. Gamta nėra lengvai apgaunama. Žinoma, gudrus ir sumanus demonas sugebėjo išvengti antrojo termodinamikos dėsnio slegiančių sankcijų, tačiau jis negali atsitraukti nuo viską matančios pirmojo termodinamikos dėsnio akies.
Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį nė viena mašina negali veikti be šilumos šaltinio, o darbo procese taip pat gali ją iš dalies absorbuoti. Arba proceso našumas niekada nepasieks 100 proc. Mašinoms reikalingas ne tik šilumos pavidalo stimulas, bet ir jos sugerimas, taip padidinant jų pačių temperatūrą.
Šiluminės energijos pavertimas mechanine energija garo varikliuose nėra absoliutus. Dalį šilumos sugeria pats variklis, sumažindamas bendrą našumą ir padidindamas jį supančią entropiją.
Jei demonas yra aukštųjų technologijų mašina, kuri selektyviai seka tam tikras daleles, kyla klausimas: iš kur ji gauna energijos savo darbui atlikti? Net jei jis kažkaip sugeba tai padaryti, plėtimasis, palyginti su mašinos šiluminėmis savybėmis, vis tiek paneigia entropijos sumažėjimo galimybę.
Uždaros sistemos perėjimas iš žemos į aukštą entropiją / Sokratiškas.
Demonas ar mašina turėtų gauti informacijos apie daleles. Paimkime, pavyzdžiui, fotonus. Bendraudamas su jais, toks sudėtingas aparatas, kaip Maxwello demonas, neišvengiamai išleis energiją ir sugers dalį šilumos, padidins bendrą entropiją ir grąžins ją į pradinę vertę.
Argumento esmė ta, kad, remiantis skaičiavimais, bet kuris demonas neišvengiamai atskirdamas molekules „sugeneruos“daugiau entropijos, nei jis kada nors gali ją „sunaikinti“- tai atitinka principus, kuriais jis pagrįstas. Kitaip tariant, norint nustatyti molekulių greitį ir parinkti jas praeiti pro duris tarp sekcijų, prireiktų daug daugiau termodinaminio darbo, nei energijos kiekis, gautas iš temperatūros skirtumo, kuris atsirado po atlikto darbo.
Kaip bebūtų, reikia pažymėti, kad Maksvelas buvo labai gudrus. Tačiau jei ne pirmasis termodinamikos dėsnis, niekas nebūtų išgelbėjęs antrojo dėsnio nuo visuomenės gėdos.
Vladimiras Guillenas