Demon Maxwella, czyli jak obejść drugą zasadę termodynamiki

Witajcie drodzy goście i subskrybenci mojego kanału. Dziś chcę z Państwem porozmawiać o tak zwanym Demonie Maxwella, który powstał podczas omawiania drugiej zasady termodynamiki. Więc zacznijmy.

Nie tylko w powieściach science fiction można znaleźć jakieś niezwykłe stworzenie, ale nawet w pozornie niezwykle dalekie od fikcji, nauki podobne do fizyki okazują się miejscem dla niezwykłych, a nawet fantastycznych stworzeń, takich jak demony.

Być może najbardziej znanym takim stworzeniem był tak zwany Maxwell's Demon, którego stworzył sam James Clerk Maxwell, twórca układu równań Maxwella. I on (demon) został wynaleziony podczas aktywnej debaty wokół drugiej zasady termodynamiki.

Co mówi druga zasada termodynamiki?

Tak więc, zgodnie z drugą zasadą dynamiki, ma wystarczająco dużo sformułowań, ale jednocześnie znaczenie fizyczne jest takie samo: system, w izolacji, niezdolne do samodzielnego przejścia ze stanu mniej uporządkowanego do bardziej uporządkowanego stan.

Na przykład wyobraźmy sobie pewną objętość gazu, w której cząsteczki poruszają się z różnymi prędkościami. Zgodnie z drugą zasadą gaz nie jest w stanie rozszczepić się niezależnie na dwie połowy, z których jedna będzie zawierała gaz z cząsteczkami o niskiej prędkości, a druga będzie zawierała gaz z cząsteczkami o dużej prędkości.

Wiele procesów jest również klasyfikowanych jako odwracalne. Na przykład zwykłą wodę można zamrozić, a po rozmrożeniu można ponownie uzyskać wodę w stanie ciekłym.

Metal można namagnesować, a następnie rozmagnesować. Są też procesy nieodwracalne, jak np. Spalenie czegoś. Ale wszystkie te procesy, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, doprowadzą albo do zachowania, albo do zmniejszenia stopnia uporządkowania systemu.

Sytuacja ta prześladowała i niepokoiła naukowe umysły XIX wieku. I wtedy właśnie Maxwell sformułował swoje nietrywialne rozwiązanie, które, jak się wówczas wydawało, pozwoliło z wdziękiem ominąć drugą zasadę termodynamiki i zapobiec nieuchronnemu wzrostowi chaosu w zamkniętym system.

Przygotował taki eksperyment myślowy.

Eksperyment myślowy lub jak pojawił się Demon Maxwella

Istota eksperymentu Maxwella:

Wyobraź sobie pojemnik podzielony na dwie równe połowy. Ponadto w przegrodzie (która dzieli pojemnik na dwie identyczne części i nadal jest absolutnie nieprzepuszczalna dla gazu) znajduje się mikroskopijne otwierane drzwi, które mogą przepuszczać tylko jeden atom gazu na raz.

Jednocześnie jedna połowa pojemnika jest całkowicie wypełniona gazem, a druga jest wypełniona czystą próżnią.

Teraz wyobraźmy sobie w myślach, że przed drzwiami punktu kontrolnego przedstawiono mikro-strażnika, który obserwuje cząsteczki gazu w najbardziej uważny sposób.

W tym samym czasie on (strażnik) otwiera przejście dla szybkich cząsteczek i podaje je do drugiej połowy pojemnika z próżnią, a te, które nie są wystarczająco szybkie, pozostawia tam, gdzie się znajdowały.

Logiczne jest, że jeśli praca punktu kontrolnego ze stróżem trwa długo, to gaz zostanie podzielony na dwie części. Jeden będzie miał schłodzony gaz z wolnymi cząsteczkami, a drugi będzie miał gorący gaz z cząsteczkami gorącego gazu.

W ten sposób układ zostanie uporządkowany względem stanu początkowego, a tym samym naruszona zostanie druga zasada termodynamiki.

Co więcej, uzyskana nierównowaga temperatur jest całkiem do przyjęcia do uzyskania pracy (zgodnie z twierdzeniem Cycle i Carnota).

A to oznacza, że ​​jeśli notoryczny strażnik zostanie pozostawiony w punkcie kontrolnym przez nieograniczony czas, to nie otrzymamy nic więcej niż perpetuum mobile.

To właśnie ten stróż-kontroler, którego inni naukowcy nazwali Demonem Maxwella. I wydawało się, że w tym eksperymencie wszystko zostało wzięte pod uwagę, i och, jak nie szkodzi perpetuum mobile. Ale jest jeden znaczący szkopuł.

Jaki jest problem Demona Maxwella

Niemal od samego początku eksperyment myślowy był kwestionowany, a oto dlaczego:

Do niekończącej się pracy strażnika demonów potrzebne jest zaopatrzenie w energię w postaci strumienia fotonów, która jest niezbędna do oświetlania i przesiewania nadchodzących cząsteczek.

Ponadto, sortując cząsteczki, demon nie może nie wchodzić w interakcje z cząsteczkami, co oznacza, że ​​sam będzie pozyskiwał energię cieplną z gazu. Oznacza to, że entropia nieuchronnie wzrośnie.

A całkowita entropia takiego systemu w żaden sposób nie zmniejszy się. Oznacza to, że nie ma naruszenia drugiego prawa.

Znaczący kontrargument przeciwko istnieniu Demona Maxwella pojawił się po narodzinach mechaniki kwantowej.

Tak więc, aby poprawnie posortować unoszące się w górę cząsteczki gazu, strażnik musi dokładnie zmierzyć ich prędkość, co w zasadzie jest niemożliwe ze względu na niepewność Heisenberga. Ponadto, zgodnie z tą samą zasadą, nie można określić dokładnej pozycji cząsteczki.

A to oznacza, że ​​nieuchronnie niektóre cząsteczki, przed którymi otworzą się drzwi, przegapią to.

Oznacza to, że demon Maxwella jest zasadniczo makroskopijnym słoniem w sklepie z porcelaną mikroświata, żyjącym według własnych zasad.

A jeśli on (stróż demonów) zostanie przedstawiony zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, to nie będzie mógł posortować cząsteczek. Dlatego nie jest to niebezpieczne dla drugiej zasady termodynamiki.

W ten sposób zniszczono mityczne stworzenie fizyczne, Demon Maxwella.

Jeśli podobał Ci się materiał, nie zapomnij ocenić go według własnego uznania, a także zasubskrybuj.

Dzięki za przeczytanie do końca!