I slutet av 1800-talet föreslog den brittiska fysikern James Maxwell ett tankeexperiment som till synes bryter mot termodynamikens lagar. Som ett resultat fick den centrala karaktären i detta experiment Maxwells demon. Låt oss försöka lista ut vad som är anmärkningsvärt med denna fiktiva enhet.
Maxwells demon är en hypotetisk enhet som föreslagits av James Clerk Maxwell i ett av hans tankeexperiment, antagligen 1871.
Vad har demonen och Maxwell att göra med den? I allmänhet är kärnan som Maxwell föreslår en slags motsägelsefull gud från maskinen, kan man säga, efter att ha upptäckt ett sätt att kringgå en av de mest grundläggande och obestridliga lagarna i universum - den andra lagen om termodynamik. Inledningsvis tog forskarens kollegor inte tankeexperimentet på allvar och var till och med förvirrade, för den här "essensen" kan innebära att man äntligen kan glömma att slösa bort kol och bara oändligt få ett jobb, faktiskt, ur ingenting.
Och nu ska vi försöka ta reda på varför Maxwells demon orsakade förvirring bland vetenskapens armaturer under slutet av 1800-talet.
Maxwells demon - ett kryphål i entropi
Maxwells tankeexperiment nämndes ursprungligen i forskarens korrespondens med Peter Tate omkring 1867. Det introducerades senare för allmänheten i Maxwells bok om termodynamik som heter Theory of Heat, publicerad 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Kampanjvideo:
Trots det faktum att Maxwell själv aldrig använde ordet "demon" när han beskrev experimentet, öppnade hans agent dörren (i skiljeväggen i vår gaslåda) mellan kamrarna som ett "begränsat väsen". Denna enhet namngavs först "demon" av William Thomson, känd som Lord Kelvin, för att beskriva Maxwells agent i Nature 1874. Som en motivering hävdade han att han ville beteckna essens förmedlande natur på detta sätt och inte i något fall skulle fokusera på den negativa konnotationen av själva ordet.
Så tillbaka till experimentet. Detta är främst ett slutet system. Den föreslagna apparaten består av en enkel kuboid, som innehåller en del godtycklig gas. Kuboid är uppdelad i två sektioner av samma storlek med samma, enhetliga temperatur. På väggen som delar sektionen sitter en demon och plockar försiktigt slumpmässigt utspridda partiklar så att alla partiklar med hög kinetisk energi samlas i en sektion, medan resten - med låg kinetisk energi - förblir i en annan.
Vi kan säga att denna demon är en metafor för en anordning eller en maskin som noggrant kan analysera hastigheten eller kinetiska energin för varje partikel i vilken behållare som helst. Baserat på sin analys kan anpassningen avgöra exakt vilka partiklar den ska, ungefär sett, hålla för sig själv och vilka - bli av med.
Vänster: två sektioner fyllda med gas. Höger: Maxwells demon öppnar och stänger dörren i skiljeväggen mellan sektioner / J. Hirshfield.
Samtidigt strider detta mot den allmänt vedertagna uppfattningen att gaspartiklar vid konstant temperatur rör sig med samma hastighet. Ändå är samma hastighet deras genomsnittliga hastighet, vilket innebär att det finns partiklar som rör sig med högre hastighet, och det finns partiklar som rör sig med en lägre hastighet, vilket reducerar allt till ett genomsnittligt värde.
Genom denna process - demonens Maxwells handlingar - drivs alla högenergipartiklar därefter in i en sektion. Demonen höjde temperaturen på en del av lådan jämfört med den andra. Detta övertemperatur eller tryck kan användas för att driva turbinen eller kolven. Ja, det följer att vi får energi från bokstavligen ingenting. Med andra ord har demonen minskat entropin utan att spendera något arbete.
Det är emellertid nödvändigt att förstå att den listiga demonen använde sina knep och som ett resultat kunde motsäga lagen om entropi, men han bröt inte lagen om bevarande av energi. Han distribuerade helt enkelt slumpmässig kinetisk energi för att skapa en tryckskillnad som är tillräcklig för att hämta energi från ett ursprungligen balanserat system. Demons listiga lurade naturen själv!
Kan en sådan apparat existera?
Hur som helst, en sådan apparat kan inte skapas i verkligheten. Naturen luras inte lätt. Naturligtvis kunde den listiga och kloka demonen undvika de förtryckande sanktionerna i termodynamikens andra lag, men han kan inte komma bort från det allomfattande ögat hos termodynamikens första lag.
Enligt termodynamikens första lag kan ingen maskin fungera utan en värmekälla, och under arbetet kan den också delvis absorbera den. Eller så kommer processprestandan aldrig att nå 100 procent. Inte bara behöver maskiner stimulansen i form av värme, de behöver också absorbera den och därmed höja sin egen temperatur.
Omvandlingen av termisk energi till mekanisk energi i ångmotorer är inte absolut. En del av värmen absorberas av själva motorn, vilket minskar den totala prestandan och ökar entropin kring den.
Om demonen är en högteknologisk maskin som selektivt spårar vissa partiklar, uppstår frågan: varifrån får den energi att göra sitt jobb? Även om han på något sätt lyckas göra detta, förnekar utvidgningen i förhållande till maskinens termiska prestanda fortfarande möjligheten till en minskning av entropin.
Övergången av ett slutet system från låg entropi till hög / sokratisk.
En demon eller maskin måste få information om partiklarna. Ta fotoner, till exempel. Under processen att interagera med dem kommer en komplex apparat som Maxwells demon oundvikligen att spendera energi och absorbera en del av värmen i sig, öka den totala entropin och återföra den till sitt ursprungliga värde.
Poängen med argumentet är att, enligt beräkningar, kommer varje demon oundvikligen att "generera" mer entropi genom att separera molekyler än han någonsin kan "förstöra" den - detta överensstämmer med de principer som den bygger på. Med andra ord skulle det behöva mycket mer termodynamiskt arbete för att bestämma molekylernas hastighet och välja dem för att passera genom dörren mellan sektionerna än den mängd energi som erhållits från temperaturskillnaden som uppstod efter det utförda arbetet.
Hur som helst bör det noteras att Maxwell var mycket listig. Men om det inte vore för termodynamikens första lag, skulle inget ha räddat den andra lagen från allmän skam.
Vladimir Guillen
