Demonul lui Maxwell sau cum să ocolim a doua lege a termodinamicii

Bună ziua dragi oaspeți și abonați ai canalului meu. Astăzi vreau să vă vorbesc despre așa-numitul Demon al lui Maxwell, care a fost generat în timpul discuției celei de-a doua legi a termodinamicii. Deci sa începem.

Nu numai în romanele științifico-fantastice puteți găsi vreo creatură neobișnuită, ci chiar și într-un aparent extrem de departe de ficțiune, știința precum fizica se dovedește a fi un loc pentru creaturi neobișnuite și chiar fantastice, cum ar fi demoni.

Poate că cea mai faimoasă astfel de creatură a fost așa-numitul Demon al lui Maxwell, care a fost creat chiar de James Clerk Maxwell, creatorul sistemului de ecuații Maxwell. Și el (demonul) a fost inventat în timpul dezbaterii active în jurul celei de-a doua legi a termodinamicii.

Ce spune a doua lege a termodinamicii?

Deci, conform celei de-a doua legi a dinamicii, are suficiente formulări, dar în același timp sensul fizic este același: sistemul, izolat, incapabil să treacă independent de la o stare mai puțin ordonată la una mai ordonată stat.

De exemplu, să ne imaginăm un anumit volum de gaz în care moleculele se mișcă la viteze diferite. Conform celei de-a doua legi, gazul nu este capabil să se împartă independent în două jumătăți, unde una va conține un gaz cu molecule cu viteză mică, iar cealaltă va conține un gaz cu molecule cu viteză mare.

Un număr mare de procese sunt, de asemenea, clasificate ca reversibile. Astfel, de exemplu, apa obișnuită poate fi înghețată, iar după dezghețare, se poate obține din nou apă lichidă.

Metalul poate fi atât magnetizat, cât și demagnetizat. Există, de asemenea, procese ireversibile, cum ar fi arderea ceva. Dar toate aceste procese, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, vor duce fie la conservarea, fie la o scădere a gradului de ordonare a sistemului.

Această situație a bântuit și a deranjat mintea științifică a secolului al XIX-lea. Și tocmai în acest moment Maxwell și-a formulat soluția non-banală, care, așa cum părea în acel moment, a făcut posibilă ocolirea grațioasă a doua lege a termodinamicii și prevenirea inevitabilă creștere a haosului într-un loc închis sistem.

El a organizat un astfel de experiment de gândire.

Experiment de gândire sau cum a apărut Demonul lui Maxwell

Esența experimentului lui Maxwell:

Imaginați-vă un container, împărțit în două jumătăți egale. Mai mult, în partiție (aceasta împarte recipientul în două părți identice și este încă absolut impermeabil la gaz) există o ușă de deschidere microscopică care poate lăsa să treacă un singur atom de gaz la un moment dat.

Și, în același timp, jumătate din recipient este complet umplută cu gaz, iar a doua cu vid pur.

Acum să ne imaginăm mental că un micro-paznic este prezentat la această poartă de control, observând moleculele de gaz în modul cel mai intenționat.

Și, în același timp, el (paznicul) deschide pasajul pentru molecule rapide și le lasă să intre în a doua jumătate a recipientului cu un vid și le lasă pe cele insuficient de rapide acolo unde erau.

Este logic ca, dacă lucrarea punctului de control cu ​​paznicul durează un timp semnificativ, atunci gazul va fi împărțit în două părți. Unul va avea un gaz răcit cu molecule lente, iar celălalt va avea un gaz fierbinte cu molecule de gaz fierbinte.

Astfel, sistemul va fi ordonat în raport cu starea inițială și, astfel, a doua lege a termodinamicii este încălcată.

Mai mult decât atât, dezechilibrul de temperatură obținut este destul de acceptabil de utilizat pentru a obține muncă (conform teoriei ciclului și a lui Carnot).

Și asta înseamnă că, dacă celebrul paznic este lăsat la punctul de control pentru o perioadă nelimitată, atunci nu vom obține altceva decât un aparat de mișcare perpetuă.

Acesta a fost un paznic-controlor pe care alți oameni de știință l-au numit Demonul lui Maxwell. Și se părea că în acest experiment totul a fost luat în considerare și, oh, cum nu rănește o mașină de mișcare perpetuă. Dar există un obstacol semnificativ.

Care este problema lui Demon Maxwell

Aproape de la început, experimentul de gândire a fost pus la îndoială și iată de ce:

Pentru munca nesfârșită a paznicului demon, este necesară alimentarea cu energie sub forma unui flux de fotoni, care este necesară pentru iluminarea și cernerea moleculelor sosite.

De asemenea, sortând moleculele, demonul nu poate să nu interacționeze cu moleculele, ceea ce înseamnă că ei înșiși vor dobândi energie termică din gaz. Aceasta înseamnă că entropia va crește inevitabil.

Și entropia totală a unui astfel de sistem nu va scădea în niciun fel. Aceasta înseamnă că nu există nicio încălcare a celei de-a doua legi.

Un contraargument semnificativ împotriva existenței Demonului lui Maxwell a venit după nașterea mecanicii cuantice.

Deci, pentru a sorta corect moleculele de gaz care zboară, paznicul trebuie să le măsoare cu precizie viteza, ceea ce, în principiu, este imposibil conform incertitudinii lui Heisenberg. De asemenea, conform aceluiași principiu, poziția exactă a moleculei nu poate fi determinată.

Și asta înseamnă că, inevitabil, unele dintre molecule, în fața cărora se va deschide ușa, o vor rata.

Adică, demonul lui Maxwell este în esență un elefant macroscopic în magazinul de porțelan din micro-lume, trăind după propriile reguli.

Și dacă el (paznicul demonului) este prezentat în conformitate cu legile mecanicii cuantice, atunci nu va putea să sorteze moleculele. Prin urmare, nu este periculos pentru a doua lege a termodinamicii.

Așa a fost distrusă creatura mitică a fizicii - Demonul lui Maxwell.

Dacă ți-a plăcut materialul, atunci nu uitați să îl evaluați după cum doriți și să vă abonați.

Mulțumesc că ai citit până la capăt!