Pod koniec XIX wieku brytyjski fizyk James Maxwell zaproponował eksperyment myślowy, który pozornie narusza prawa termodynamiki. W rezultacie główna postać tego eksperymentu została nazwana demonem Maxwella. Spróbujmy dowiedzieć się, co jest niezwykłego w tej fikcyjnej istocie.
Maxwell's Demon to hipotetyczna istota zaproponowana przez Jamesa Clerka Maxwella w jednym z jego eksperymentów myślowych, prawdopodobnie w 1871 roku.
Co mają z tym wspólnego demon i Maxwell? Ogólnie rzecz biorąc, istota zaproponowana przez Maxwella jest rodzajem sprzecznego boga z maszyny, można by rzec, po odkryciu sposobu na obejście jednego z najbardziej fundamentalnych i niepodważalnych praw Wszechświata - drugiego prawa termodynamiki. Początkowo koledzy naukowca nie potraktowali poważnie eksperymentu myślowego, a nawet byli zdezorientowani, bo ta „esencja” mogła oznaczać, że w końcu można zapomnieć o marnowaniu węgla i po prostu bez końca znaleźć pracę, właściwie z niczego.
A teraz postaramy się dowiedzieć, dlaczego demon Maxwella wywołał zdumienie wśród luminarzy nauki pod koniec XIX wieku.
Demon Maxwella - luka w entropii
Eksperyment myślowy Maxwella został pierwotnie wspomniany w korespondencji naukowca z Peterem Tate'em około 1867 roku. Został później przedstawiony opinii publicznej w książce Maxwella o termodynamice zatytułowanej Teoria ciepła, opublikowanej w 1872 roku.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Film promocyjny:
Pomimo faktu, że sam Maxwell nigdy nie użył słowa „demon” podczas opisywania eksperymentu, jego agent otworzył drzwi (w przegrodzie w naszej komorze gazowej) między komorami jako „istota ograniczona”. Ta istota została po raz pierwszy nazwana „demonem” przez Williama Thomsona, znanego jako Lord Kelvin, aby opisać Agenta Maxwella w Naturze w 1874 roku. Jako uzasadnienie argumentował, że chciał w ten sposób określić pośredniczącą naturę istoty iw żadnym wypadku nie zamierzał podkreślać negatywnej konotacji samego słowa.
Wróćmy więc do eksperymentu. Jest to przede wszystkim system zamknięty. Proponowana aparatura składa się z prostego prostopadłościanu, który zawiera dowolny gaz. Prostopadłościan podzielony jest na dwie równej wielkości sekcje o tej samej, jednakowej temperaturze. Na ścianie dzielącej sekcję siedzi demon, starannie dobierając losowo rozrzucone cząstki, tak aby wszystkie cząstki o dużej energii kinetycznej zebrały się w jednej sekcji, a reszta - o niskiej energii kinetycznej - pozostała w drugiej.
Można powiedzieć, że ten demon jest metaforą urządzenia lub maszyny zdolnej do dokładnej analizy prędkości lub energii kinetycznej każdej cząstki w dowolnym pojemniku. Na podstawie swojej analizy adaptacja może dokładnie określić, które cząstki z grubsza powinna zachować dla siebie, a których - się pozbyć.
Po lewej: dwie sekcje wypełnione gazem. Po prawej: demon Maxwella otwierający i zamykający drzwi w przegrodzie między sekcjami / J. Hirshfield.
Tymczasem jest to sprzeczne z ogólnie przyjętą opinią, że cząsteczki gazu o stałej temperaturze poruszają się z taką samą prędkością. Niemniej jednak ta sama prędkość jest ich średnią prędkością, co oznacza, że istnieją cząstki poruszające się z większą prędkością, a cząstki poruszają się z mniejszą prędkością, redukując wszystko do średniej wartości.
Dzięki temu procesowi - działaniom demona Maxwella - wszystkie wysokoenergetyczne cząstki są następnie przenoszone do jednej sekcji. Demon podniósł temperaturę jednej części pudełka w porównaniu z drugą. Ta nadwyżka temperatury lub ciśnienia może być wykorzystana do napędzania turbiny lub tłoka. Tak, wynika z tego, że energię czerpiemy dosłownie z niczego. Innymi słowy, demon zmniejszył entropię bez żadnego wysiłku.
Trzeba jednak zrozumieć, że przebiegły demon zastosował swoje sztuczki iw rezultacie był w stanie zaprzeczyć prawu entropii, ale nie naruszył prawa zachowania energii. Po prostu redystrybuował losową energię kinetyczną, aby stworzyć różnicę ciśnień wystarczającą do pobrania energii z początkowo zrównoważonego układu. Przebiegłość demona oszukała samą naturę!
Czy taki aparat może istnieć?
Tak czy inaczej, w rzeczywistości takiego aparatu nie da się stworzyć. Naturę nie da się łatwo oszukać. Oczywiście, przebiegły i sprytny demon był w stanie uniknąć uciążliwych sankcji drugiej zasady termodynamiki, ale nie może uciec przed wszechwidzącym okiem pierwszej zasady termodynamiki.
Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki żadna maszyna nie jest w stanie funkcjonować bez źródła ciepła, a także w trakcie pracy może je częściowo absorbować. Albo wydajność procesu nigdy nie osiągnie 100 procent. Maszyny nie tylko potrzebują bodźca w postaci ciepła, ale także go absorbują, podnosząc w ten sposób własną temperaturę.
Konwersja energii cieplnej w energię mechaniczną w silnikach parowych nie jest absolutna. Część ciepła jest pochłaniana przez sam silnik, zmniejszając ogólną wydajność i zwiększając otaczającą go entropię.
Jeśli demon jest zaawansowaną technologicznie maszyną, która wybiórczo śledzi określone cząstki, pojawia się pytanie: skąd czerpie energię do wykonywania swojej pracy? Nawet jeśli jakoś mu się to udaje, ekspansja w stosunku do wydajności cieplnej maszyny nadal zaprzecza możliwości zmniejszenia entropii.
Przejście systemu zamkniętego od niskiej entropii do wysokiej / Sokratejskiej.
Demon lub maszyna musiałaby uzyskać informacje o cząstkach. Weźmy na przykład fotony. W trakcie interakcji z nimi złożone urządzenie, takie jak demon Maxwella, nieuchronnie zużyje energię i pochłonie część samego ciepła, zwiększając całkowitą entropię i przywracając jej pierwotną wartość.
Argument ten polega na tym, że zgodnie z obliczeniami każdy demon nieuchronnie „wytworzy” więcej entropii oddzielając cząsteczki, niż może go kiedykolwiek „zniszczyć” - jest to zgodne z zasadami, na których jest oparty. Innymi słowy, określenie prędkości cząsteczek i wybranie ich do przejścia przez drzwi między sekcjami wymagałoby znacznie więcej pracy termodynamicznej niż ilość energii uzyskanej z różnicy temperatur, która powstała po wykonanej pracy.
Tak czy inaczej, należy zauważyć, że Maxwell był bardzo przebiegły. Jednak gdyby nie pierwsza zasada termodynamiki, nic nie uchroniłoby drugiej zasady przed publicznym wstydem.
Vladimir Guillen