1800-luvun lopulla brittiläinen fyysikko James Maxwell ehdotti ajatuskokeilua, joka näennäisesti rikkoo termodynamiikan lakeja. Tämän seurauksena tämän kokeen keskeinen hahmo nimettiin Maxwellin demoniksi. Yritetään selvittää, mikä on merkittävää tässä kuvitteellisessa kokonaisuudessa.
Maxwellin demoni on hypoteettinen kokonaisuus, jonka James Clerk Maxwell ehdotti yhdessä ajatuskokeistaan, oletettavasti vuonna 1871.
Mitä demonilla ja Maxwellilla on tekemistä sen kanssa? Maxwellin ehdottama ydin on yleensä eräänlainen ristiriitainen koneen jumala, voidaan sanoa, joka löysi tavan kiertää yksi maailmankaikkeuden perustavanlaatuisimmista ja kiistattomimmista laeista - toinen termodynamiikan laki. Aluksi tutkijan kollegat eivät ottaneet ajatuskokeilua vakavasti ja olivat jopa hämmentyneitä, koska tämä "olemus" voi tarkoittaa, että voit lopulta unohtaa hiilihukan ja saada loputtomasti työpaikan itse asiassa tyhjästä.
Ja nyt yritämme selvittää, miksi Maxwellin demoni aiheutti hämmästystä tieteen valaisimissa 1800-luvun lopulla.
Maxwellin demoni - porsaanreikä entropiassa
Maxwellin ajatuskokeilu mainittiin alun perin tutkijan kirjeenvaihdossa Peter Tateen kanssa noin vuonna 1867. Se esiteltiin myöhemmin yleisölle Maxwellin termodynamiikkakirjassa Theory of Heat, joka julkaistiin vuonna 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Mainosvideo:
Huolimatta siitä, että Maxwell itse ei koskaan käyttänyt sanaa "demoni" kuvaillessaan kokeilua, hänen edustajansa avasi kammioiden välisen oven (kaasukotelon väliseinässä) "rajoitetuksi olennoksi". William Thomson, joka tunnetaan nimellä Lord Kelvin, nimitti tämän kokonaisuuden ensimmäisen kerran "demoniksi" kuvaamaan agentti Maxwellia luonnossa vuonna 1874. Perusteluna hän väitti haluavansa nimetä olemuksen välittävän luonteen tällä tavalla eikä missään tapauksessa keskittynyt itse sanan negatiiviseen merkitykseen.
Joten takaisin kokeiluun. Tämä on ensisijaisesti suljettu järjestelmä. Ehdotettu laite koostuu yksinkertaisesta suorakulmiosta, joka sisältää mielivaltaista kaasua. Neliö on jaettu kahteen osaan, joiden koko on sama ja tasainen. Lohkon jakavalla seinällä istuu demoni, joka poimii varovasti satunnaisesti sirotetut hiukkaset siten, että kaikki hiukkaset, joilla on korkea kineettinen energia, kerätään yhteen osaan, kun taas loput - alhaisella kineettisellä energialla - jäävät toiseen.
Voimme sanoa, että tämä demoni on metafora laitteelle tai koneelle, joka kykenee analysoimaan tarkasti minkä tahansa astian kunkin hiukkasen nopeuden tai kineettisen energian. Analyysinsa perusteella sopeutuminen voi määrittää tarkalleen mitkä hiukkaset sen pitäisi karkeasti sanottuna pitää itselleen ja mitkä - päästä eroon.
Vasen: kaksi kaasulla täytettyä osaa. Oikealla: Maxwellin demoni avaa ja sulkee oven osioiden välisessä osiossa / J. Hirshfield.
Samaan aikaan tämä on ristiriidassa yleisesti hyväksytyn mielipiteen kanssa, jonka mukaan kaasuhiukkaset liikkuvat vakiolämpötilassa samalla nopeudella. Kuitenkin tämä sama nopeus on niiden keskinopeus, mikä tarkoittaa, että hiukkasia liikkuu suuremmalla nopeudella ja hiukkasia liikkuu pienemmällä nopeudella, mikä vähentää kaiken keskiarvoon.
Tämän prosessin kautta - demonin Maxwellin toimet - kaikki korkean energian hiukkaset ajetaan myöhemmin yhteen osaan. Demoni nosti laatikon yhden osan lämpötilaa toiseen. Tätä ylilämpötilaa tai painetta voidaan käyttää turbiinin tai männän käyttämiseen. Kyllä, tästä seuraa, että saamme energiaa kirjaimellisesti mistään. Toisin sanoen, demoni on vähentänyt entropiaa kuluttamatta mitään vaivaa.
On kuitenkin ymmärrettävä, että ovela demoni käytti temppujaan ja kykeni sen seurauksena olemaan ristiriidassa entropian lain kanssa, mutta hän ei rikkonut energiansäästölakia. Hän yksinkertaisesti jakoi satunnaisen kineettisen energian sellaisen paine-eron luomiseksi, joka riittää vetämään energiaa alun perin tasapainotetusta järjestelmästä. Demonin ovela pettää itse luonnon!
Voiko tällainen laite olla olemassa?
Olipa niin, tällaista laitetta ei voida luoda todellisuudessa. Luontoa ei voida helposti pettää. Tietysti ovela ja älykäs demoni pystyi välttämään termodynamiikan toisen lain sortavat pakotteet, mutta hän ei voi päästä eroon termodynamiikan ensimmäisen lain kaikkinäkevästä silmästä.
Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan mikään kone ei kykene toimimaan ilman lämmönlähdettä, ja työprosessissa se voi myös absorboida sen osittain. Tai prosessin suorituskyky ei koskaan saavuta 100 prosenttia. Koneiden ei tarvitse vain ärsykettä lämmön muodossa, vaan niiden on myös absorboitava se, mikä nostaa omaa lämpötilaa.
Lämpöenergian muuntaminen mekaaniseksi energiaksi höyrykoneissa ei ole ehdotonta. Osa lämmöstä imeytyy itse moottoriin, mikä vähentää yleistä suorituskykyä ja lisää sitä ympäröivää entropiaa.
Jos demoni on korkean teknologian kone, joka seuraa valikoivasti tiettyjä hiukkasia, herää kysymys: mistä se saa energiaa tehtävänsä suorittamiseen? Vaikka hän jotenkin onnistuu tekemään tämän, laajentuminen suhteessa koneen lämpötehoon kieltää entroopian vähenemisen mahdollisuuden.
Suljetun järjestelmän siirtyminen matalasta korkeaan entropiaan / sokraattinen.
Demonin tai koneen on saatava tietoa hiukkasista. Otetaan esimerkiksi fotoneja. Kun vuorovaikutuksessa heidän kanssaan, monimutkainen laite, kuten Maxwellin demoni, kuluttaa väistämättä energiaa ja absorboi osan lämmöstä itse, mikä lisää kokonais entropiaa ja palauttaa sen alkuperäiseen arvoonsa.
Väitteen tarkoitus on, että laskelmien mukaan mikä tahansa demoni "väistämättä" tuottaa "enemmän entropiaa erottamalla molekyylit kuin hän voi koskaan" tuhota "sen - tämä on yhdenmukaista niiden periaatteiden kanssa, joihin hän perustuu. Toisin sanoen, molekyylien nopeuden määrittäminen ja niiden valitseminen kulkemaan oven läpi osien välillä vie paljon enemmän termodynaamista työtä kuin energian määrä, joka saavutetaan tehdyn työn jälkeen syntyneestä lämpötilaerosta.
Olkoon niin kuin onkin, on huomattava, että Maxwell oli erittäin ovela. Jos ei kuitenkaan olisi termodynamiikan ensimmäinen laki, mikään ei olisi pelastanut toista lakia julkisesta häpeästä.
Vladimir Guillen