Mikä on Maxwellin demoni?

Reversing Entropy with Maxwell's Demon | Space Time (Kesäkuu 2019).

Anonim

Maxwellin demoni on hypoteettinen kokonaisuus, joka fyysikko James Clerk Maxwell loi jonkin hänen ajatuskokeilunsa noin 1871. Ajatuskokeessa muodostui laite, joka poistaisi työn eristetystä järjestelmästä huolimatta siitä, että se on tasapainossa yhdellä yhtenäisellä lämpötilalla.

Pohjimmiltaan Maxwellin nimellinen kokonaisuus on eräänlainen deus ex machina, joka ristiriidassa tai on taitavasti kehittänyt tien, joka on maailmankaikkeuden perustavanlaatuinen ja kiistämätön laki: 2. termodynamiikan laki. Luonnollisesti käsitys työn tai energian poistamisesta näennäisesti mikään ei hämmentä hänen kollegansa - varmasti tämä voisi merkitä loppua, jossa väsymättömästi syötetään hiiltä komealle höyrykoneelle? Ilmainen lounas!

Ei ole niin perustavaa laatua nyt?

No eipä oikeastaan. Ymmärtääksemme, miten se toimii, meidän on ensin ymmärrettävä, mitä laki edellyttää ja miksi porsaan löytäminen herättää mellakkaa.

Eristetyt järjestelmät ja termodynamiikan toinen laki

(Kuva: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Laki ohjaa lämmön virtausta kahteen esineeseen tai alueeseen, jotka eivät ole lämpötilan mukaisia. Se toteaa, että kaksi erilaista lämpötilaa, jotka ovat toisiinsa tutustuneet ja eristäytyneet ympäristöstään, kehittyvät termodynaamiselle tasapainolle, jossa molemmilla rungoilla on suunnilleen sama lämpötila. Jotta tämä tapahtuisi, voidaan loogisesti päätellä, että lämmön täytyy kulkea korkeamman lämpötilan kohteesta alhaisemman lämpötilan kohteeksi.

Lämpö voi kuitenkin virrata vastakkaiseen suuntaan edellyttäen, että sitä avustaa toinen järjestelmä (ei-eristetty järjestelmä).

Ajattele tätä vaihtoa, kuten veden vaihto kahden kauhan välillä. Tässä lämpötilan käsite voidaan kuvata veden määrällä, joka kauhan sisältää. Korkea lämpötilan tavoite kuvataan sitten ämpärillä, jossa on enemmän vettä, kun taas alemman lämpötilan kohteena on ämpäri, jossa on vähemmän vettä.

Jos kauhat ovat nyt yhdistetty kapean putken kanssa, kuten alla olevassa kuvassa näkyy, huomaat, että vesi virtaa ämpäriltä, ​​joka sisältää enemmän vettä vierekkäiseen veteen, kunnes vesi täyttää aukon. Nyt ei enää vettä virtaa, tämä merkitsee tasapainon alkamista. Huomaa, että tämä asetus edustaa erillistä järjestelmää.

Nyt vesi voi myös virrata toisessa suunnassa: köyhältä ämpäriltä täyteen, mutta se voidaan saavuttaa vain tekemällä työtä edellisellä: joko kallistamalla se niin pitkälle, että vesi virtaa kapean tunnelin tai täyttämällä se ylimääräisellä vedellä kolmannesta kauhusta, molemmissa tapauksissa, joissa on ulkopuolista apua. Tämä asetus edustaa erillistä järjestelmää.

Tämä näkyy jääkaapeissa tai ilmastointilaitteissa, joissa jäähtyä tuulta saadaan toisen järjestelmän lämmön - lauhduttimen kustannuksella.

Laki voidaan myös määritellä entropian, tilastollisen häiriön tai satunnaisuuden mittana. Satunnaisuuden kannalta eristetyllä järjestelmällä entropia kasvaa vain. Toisaalta, ei-eristetyllä järjestelmällä, joka on palautuva prosessi, entropia on vakio. Kuitenkin jälleen kerran, vakavuus koituu ympäröivän kustannuksella - inhottava lämpö lisää entropian entropiaa kokonaisuudeksi maailmankaikkeudessa. Entropian lisääntyminen merkitsee luonnollisten prosessien peruuttamattomuutta.

Siten energian erottaminen järjestelmästä tasapainossa on mahdotonta, mutta miten paholainen tekee sen?

Maxwellin demoni - porsaanreikä

Tämä on vastoin yleissopimusta, että kaasun hiukkaset vakiolämpötilassa kulkevat ympäri samalla nopeudella. Tämä sama nopeus on kuitenkin niiden keskimääräinen nopeus, mikä tarkoittaa, että hiukkasia, jotka kulkevat nopeammin ja hiukkaset, jotka matkustavat hitaammin ja negatiivisesti keskenään.

Tällä yksinkertaisella prosessilla kaikki korkean energian hiukkaset sijoitetaan yhteen kammioon. Demoni on nostanut yhden kammion lämpötilan verrattuna toiseen. Tätä ylimääräistä lämpötilaa tai painetta voidaan käyttää turbiinin virittämiseen tai männän työntämiseen, kyllä, ei havaittavasti mitään. Toisin sanoen demoni on vähentänyt entropiaa ilman työmenoja !

Maxwell ajatteli tätä hämmästyttävää ajatusta, kun hänet oli kielletty pääsemästä klubiin, koska hän oli nörtti.

On ehdottoman välttämätöntä ymmärtää, että demoni salaperäisillä tavoilla on ristiriidassa entropian lain kanssa, mutta se ei ole vielä rikkonut energiaa säästävää lakia. Se on vain jakanut satunnaisen kineettisen energian paine-eron aikaansaamiseksi siten, että energia voidaan korjata alun perin tasapainotetusta järjestelmästä! Demonin haukkuminen on luonut itseään.

Voiko tällainen laite todella olla olemassa?

Joskus tuntuu, että jääkaapin isä on liian kova hänelle.

Samoin, jos demoni on erittäin kehittynyt kone, joka valikoivasti etsii tiettyjä hiukkasia, syntyy kysymys siitä, mistä se saa energiaansa toimimaan? Ja vaikka se olisikin, koneen lämpötehokkuuden laajentaminen estää edelleen mahdollisuuden entropian vähenemiseen.

Demonin tai koneen olisi hankittava hiukkasia koskevia tietoja, esimerkiksi ilmaista fotoneja. Niiden keskinäisen vuorovaikutuksen prosessin aikana tällainen monimutkainen koneet väistämättä kuluttavat energiaa ja imeytyvät jonkin verran lämpöä, mikä lisää verkon entropiaa takaisin alkuperäiseen arvoon.

Argumentin ydin on se, että laskemisen kautta minkä tahansa demonin täytyy "tuottaa" enem- män entropiaa, joka erottaa molekyylit kuin se voisi koskaan hävittää periaatteilla, joihin se perustuu. Toisin sanoen se vaatiisi enemmän termodynaamista työtä molekyylien nopeuden havaitsemiseksi ja selektiivisesti niiden sallimiseksi kulkea kammioiden välisen aukon läpi kuin prosessin aiheuttamaan lämpötilaeron tuottama energia.

Kun kaikki on sanottu ja tehty, on ymmärrettävä Maxwellin sneakiness. Kuitenkin, jos se ei ollut ensimmäinen laki, kukaan ei voisi säästää toista lakia olemasta julkisesti järkyttävää. Loppujen lopuksi ei ole ilmaisia ​​lounaita!