V poznem 19. stoletju je britanski fizik James Maxwell predlagal miselni eksperiment, ki na videz krši zakone termodinamike. Posledično je bil osrednji lik tega poskusa imenovan Maxwellov demon. Poskusimo ugotoviti, kaj je izjemnega v tej izmišljeni entiteti.
Maxwellov demon je hipotetična entiteta, ki jo je predlagal James Clerk Maxwell v enem od svojih miselnih poskusov, verjetno leta 1871.
Kakšne zveze imata demon in Maxwell? Na splošno je bistvo, ki ga predlaga Maxwell, nekakšen protislovni bog iz stroja, bi lahko rekli, saj je odkril način, kako zaobiti enega najbolj temeljnih in neizpodbitnih zakonov vesolja - drugi zakon termodinamike. Sprva znanstvenikovi sodelavci miselnega eksperimenta niso jemali resno in so bili celo zmedeni, kajti to "bistvo" bi lahko pomenilo, da lahko končno pozabite na zapravljanje premoga in se preprosto zaposlite neskončno, pravzaprav iz nič.
In zdaj bomo poskušali ugotoviti, zakaj je Maxwellov demon konec 19. stoletja povzročil zmedo med svetili znanosti.
Maxwellov demon - vrzel v entropiji
Maxwellov miselni eksperiment je bil prvotno omenjen v znanstvenikovi korespondenci s Petrom Tatejem okoli leta 1867. Pozneje je bila javnosti predstavljena v Maxwellovi knjigi o termodinamiki, imenovani Teorija toplote, objavljeni leta 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Promocijski video:
Kljub temu, da Maxwell sam pri opisovanju poskusa nikoli ni uporabil besede "demon", je njegov agent odprl vrata (v pregradi v naši plinski škatli) med komorami kot "omejeno bitje". To entiteto je prvič imenoval "demon" William Thomson, znan kot Lord Kelvin, da bi leta 1874 opisal agenta Maxwella v Nature Kot utemeljitev je trdil, da želi na ta način označiti posredniško naravo bistva in v nobenem primeru ne bo poudarjal negativne konotacije same besede.
Torej nazaj k eksperimentu. To je predvsem zaprt sistem. Predlagani aparat je sestavljen iz preprostega kuboida, ki vsebuje nekaj poljubnega plina. Kuboid je razdeljen na dva enako velika odseka z enako, enakomerno temperaturo. Na steni, ki deli prerez, sedi demon, ki skrbno pobere naključno razpršene delce, tako da se vsi delci z visoko kinetično energijo zberejo v enem odseku, ostali - z nizko kinetično energijo - pa ostanejo v drugem.
Lahko rečemo, da je ta demon metafora za napravo ali stroj, ki je sposoben natančno analizirati hitrost ali kinetično energijo vsakega delca v kateri koli posodi. Na podlagi svoje analize lahko prilagoditev natančno določi, katere delce naj, grobo rečeno, obdrži zase in katerih - se znebi.
Levo: dva odseka, napolnjena s plinom. Desno: Maxwellov demon je odpiral in zapiral vrata v pregradi med odseki / J. Hirshfield.
Medtem je to v nasprotju s splošno sprejetim mnenjem, da se delci plina pri konstantni temperaturi gibljejo z enako hitrostjo. Kljub temu je ta ista hitrost njihova povprečna hitrost, kar pomeni, da obstajajo delci, ki se gibljejo z večjo hitrostjo, delci pa se premikajo z nižjo hitrostjo, kar vse zmanjša na povprečno vrednost.
S tem postopkom - dejanji demona Maxwella - se vsi visokoenergijski delci nato odpeljejo v en odsek. Demon je dvignil temperaturo enega dela škatle v primerjavi z drugim. Ta presežna temperatura ali tlak se lahko uporabi za pogon turbine ali bata. Da, iz tega sledi, da energijo dobivamo dobesedno iz nič. Z drugimi besedami, demon je zmanjšal entropijo, ne da bi se za to potrudil.
Vendar je treba razumeti, da je zviti demon uporabil svoje trike in je posledično lahko nasprotoval zakonu entropije, vendar ni kršil zakona o ohranjanju energije. Preprosto je prerazporedil naključno kinetično energijo, da je ustvaril razliko v tlaku, ki zadošča za črpanje energije iz prvotno uravnoteženega sistema. Zlobnost demona je sama prevarala naravo!
Ali lahko taka naprava obstaja?
Kakor koli že, take naprave v resnici ni mogoče ustvariti. Narave ni enostavno zavajati. Seveda se je zvit in pameten demon lahko izognil zatiralnim sankcijam drugega zakona termodinamike, vendar se ne more umakniti od vsevidnega očesa prvega zakona termodinamike.
Po prvem termodinamičnem zakonu noben stroj ne more delovati brez vira toplote, v procesu dela pa ga lahko tudi delno absorbira. Ali pa zmogljivost procesa nikoli ne bo dosegla 100 odstotkov. Dražljaji v obliki toplote ne potrebujejo samo stroji, ampak jih morajo tudi absorbirati in si tako zvišati lastno temperaturo.
Pretvorba toplotne energije v mehansko v parnih strojih ni absolutna. Del toplote absorbira motor sam, kar zmanjša splošno zmogljivost in poveča entropijo, ki jo obdaja.
Če je demon visokotehnološki stroj, ki selektivno sledi določenim delcem, se postavlja vprašanje: kje dobi energijo za svoje delo? Tudi če mu to nekako uspe, razširitev glede na toplotne lastnosti stroja še vedno zanika možnost zmanjšanja entropije.
Prehod zaprtega sistema iz nizke entropije v visoko / sokratsko.
Demon ali stroj bi moral dobiti informacije o delcih. Vzemimo na primer fotone. V procesu interakcije z njimi bo zapleten aparat, kot je Maxwellov demon, neizogibno porabil energijo in sam absorbiral nekaj toplote, kar bo povečalo celotno entropijo in jo vrnilo na prvotno vrednost.
Bistvo argumenta je v tem, da bo po izračunih kateri koli demon neizogibno "ustvaril" več entropije z ločevanjem molekul, kot jo lahko kadar koli "uniči" - to je v skladu z načeli, na katerih temelji. Z drugimi besedami, veliko več termodinamičnega dela bi bilo potrebno, da bi določili hitrost molekul in jih izbrali za prehod skozi vrata med odseki, kot pa količina energije, pridobljene s temperaturno razliko, ki je nastala po opravljenem delu.
Kakor koli že, treba je omeniti, da je bil Maxwell zelo zvit. Če pa ne bi bilo prvega zakona termodinamike, drugega zakona nič ne bi rešilo javne sramote.
Vladimir Guillen