A 19. század végén James Maxwell brit fizikus egy gondolatkísérletet javasolt, amely látszólag sérti a termodinamika törvényeit. Ennek eredményeként ennek a kísérletnek a központi karakterét Maxwell démonjának nevezték el. Próbáljuk kitalálni, mi figyelemre méltó ebben a kitalált entitásban.
Maxwell Démonja egy hipotetikus entitás, amelyet James Clerk Maxwell javasolt egyik gondolatkísérletében, feltehetően 1871-ben.
Mi köze van hozzá a démonnak és Maxwellnek? Általában a Maxwell által javasolt lényeg egyfajta ellentmondásos isten a gépből, mondhatni, aki felfedezte a módot az Univerzum egyik legalapvetőbb és legvitathatatlanabb törvényének - a termodinamika második törvényének - megkerülésére. Kezdetben a tudós kollégái nem vették komolyan a gondolatkísérletet, sőt zavartak voltak, mert ez a „lényeg” azt jelentheti, hogy végre elfelejtheti a szénpazarlást, és csak végtelenül, valójában a semmiből kaphat munkát.
És most megpróbáljuk kitalálni, hogy Maxwell démona miért okozott zavart a tudomány fényei között a 19. század végén.
Maxwell démona - kiskapu az entrópiában
Maxwell gondolatkísérletét eredetileg a tudós Peter Tate-lel folytatott levelezése említette 1867 körül. Később Maxwell 1872-ben megjelent hőelméleti hőelméleti könyvében mutatták be a nyilvánosság számára.
James Clerk Maxwell / Gresham Főiskola.
Promóciós videó:
Annak ellenére, hogy Maxwell maga soha nem használta a "démon" szót a kísérlet leírása során, ügynöke "korlátozott lényként" nyitotta meg a kamrák közötti ajtót (a gázdobozunk válaszfalában). Ezt az entitást William Thomson, Lord Kelvin néven ismerte el először "démonnak", hogy leírja Maxwell ügynökét a Nature-ben 1874-ben. Indoklásként azzal érvelt, hogy a lényeg közvetítő jellegét akarta ily módon kijelölni, és semmiképpen sem maga a szó negatív konnotációjára fog összpontosítani.
Tehát vissza a kísérlethez. Ez elsősorban zárt rendszer. A javasolt berendezés egy egyszerű négyszögből áll, amely némi önkényes gázt tartalmaz. A négyszög alakú oszlop két azonos méretű, azonos hőmérsékletű részre oszlik. A szakaszt elválasztó falon egy démon ül, gondosan szedegeti a véletlenszerűen szétszórt részecskéket, hogy minden nagy mozgási energiájú részecske egy szakaszba gyűljön, míg a többi - alacsony mozgási energiájú - egy másikban maradjon.
Azt mondhatjuk, hogy ez a démon egy olyan eszköz vagy gép metaforája, amely képes minden egyes tartályban lévő részecskék sebességének vagy mozgási energiájának alapos elemzésére. Elemzése alapján az adaptáció pontosan meghatározhatja, hogy mely részecskéket kell durván véve magának tartania, és melyektől szabaduljon meg.
Balra: két szakasz gázzal töltött. Jobbra: Maxwell démona kinyitja és bezárja az ajtót a szakaszok közötti partícióban / J. Hirshfield.
Eközben ez ellentmond az általánosan elfogadott véleménynek, miszerint az állandó hőmérsékletű gázrészecskék azonos sebességgel mozognak. Ennek ellenére ugyanez a sebesség az átlagos sebességük, ami azt jelenti, hogy vannak részecskék, amelyek nagyobb sebességgel mozognak, és vannak részecskék, amelyek alacsonyabb sebességgel mozognak, mindent átlagértékre csökkentve.
Ezzel a folyamattal - a démon Maxwell cselekedetei révén - az összes nagy energiájú részecske később egy szakaszba kerül. A démon megemelte a doboz egyik részének hőmérsékletét a másikhoz képest. Ez a túlzott hőmérséklet vagy nyomás felhasználható a turbina vagy a dugattyú meghajtására. Igen, ebből következik, hogy a szó szoros értelmében semmiből kapunk energiát. Más szavakkal, a démon erőfeszítések nélkül csökkentette az entrópiát.
Meg kell azonban érteni, hogy a ravasz démon felhasználta trükkjeit, és ennek következtében képes volt ellentmondani az entrópia törvényének, de nem sértette meg az energiamegmaradás törvényét. Egyszerűen újraosztotta a véletlenszerű kinetikus energiát, hogy olyan nyomáskülönbséget hozzon létre, amely elegendő ahhoz, hogy energiát vegyen egy kezdetben kiegyensúlyozott rendszerből. A démon ravasz megtévesztette magát a természetet!
Létezhet ilyen apparátus?
Akárhogy is legyen, ilyen apparátust a valóságban nem lehet létrehozni. A természetet nem könnyű megtéveszteni. Természetesen a ravasz és okos démon képes volt elkerülni a termodinamika második törvényének elnyomó szankcióit, de nem térhet el a termodinamika első törvényének mindent látó szeme elől.
A termodinamika első törvénye szerint egyetlen gép sem képes hőforrás nélkül működni, és a munka során azt részben el tudja is szívni. Vagy a folyamat teljesítménye soha nem fogja elérni a 100 százalékot. A gépeknek nemcsak az ingerre van szükségük hő formájában, hanem el kell szívniuk, emelve ezzel saját hőmérsékletüket.
A hőenergia mechanikus energiává történő átalakítása a gőzgépekben nem abszolút. A hő egy részét maga a motor veszi fel, csökkentve az általános teljesítményt és növelve a körülötte lévő entrópiát.
Ha a démon egy csúcstechnológiájú gép, amely szelektíven követi bizonyos részecskéket, felmerül a kérdés: honnan vesz energiát munkája elvégzéséhez? Még ha valahogy sikerül is neki, a gép hőteljesítményéhez viszonyított bővülés még mindig tagadja az entrópia csökkenésének lehetőségét.
A zárt rendszer átmenete alacsonyról magas entrópiára / Szokratikus.
Egy démonnak vagy gépnek információhoz kellene jutnia a részecskékről. Vegyünk például fotonokat. A velük való interakció során egy olyan komplex berendezés, mint Maxwell démona, óhatatlanul energiát fog elkölteni és magának a hőnek a részét elnyeli, növelve a teljes entrópiát és visszahelyezve eredeti értékére.
Az érvelés lényege, hogy a számítások szerint bármely démon elkerülhetetlenül több entrópiát "generál" a molekulák elválasztásával, mint amennyit valaha is képes "elpusztítani" - ez összhangban áll az alapelveivel. Más szavakkal, sokkal több termodinamikai munkára lenne szükség a molekulák sebességének meghatározásához és kiválasztásához, hogy áthaladjanak az ajtón a szakaszok között, mint az elvégzett munka után keletkezett hőmérséklet-különbségből nyert energiamennyiség.
Bárhogy is legyen, meg kell jegyezni, hogy Maxwell nagyon ravasz volt. Ha azonban nem lenne a termodinamika első törvénye, semmi sem mentené meg a második törvényt a közszégyentől.
Vladimir Guillen