Maxwellin demoni tai miten kiertää toinen termodynamiikan laki

Hei rakkaat vieraat ja kanavani tilaajat. Tänään haluan puhua teille niin kutsutusta Maxwellin demonista, joka syntyi keskustelun aikana toisesta termodynamiikan laista. Joten aloitetaan.

Paitsi tieteiskirjallisuusromaaneista löytyy epätavallinen olento, mutta jopa näennäisesti äärimmäisen kaukana kaunokirjallisuudesta fysiikan kaltaisella tieteellä osoittautuu olevan paikka epätavallisille ja jopa fantastisille olennoille, kuten demonit.

Ehkä tunnetuin tällainen olento oli ns. Maxwell Demon, jonka loi James Clerk Maxwell itse, Maxwellin yhtälöjärjestelmän luoja. Ja hän (demoni) keksittiin aktiivisen keskustelun aikana termodynamiikan toisesta laista.

Mitä termodynamiikan toinen laki sanoo?

Joten toisen dynamiikkalain mukaan sillä on tarpeeksi muotoiluja, mutta samalla fyysinen merkitys on sama: järjestelmä, erikseen kykenemättä siirtymään itsenäisesti vähemmän järjestetystä tilasta enemmän järjestettyyn osavaltio.

Kuvitellaan esimerkiksi tietty määrä kaasua, jossa molekyylit liikkuvat eri nopeuksilla. Toisen lain mukaan kaasu ei pysty jakautumaan itsenäisesti kahteen puolikkaaseen, jolloin toinen sisältää kaasua, jolla on pienen nopeuden molekyylit, ja toinen osa sisältää kaasua, jolla on suurnopeuksisia molekyylejä.

Myös suuri osa prosesseista luokitellaan palautuviksi. Joten esimerkiksi tavallinen vesi voi jäätyä ja sulatuksen jälkeen saat taas nestemäistä vettä.

Metalli voidaan sekä magnetisoida että demagnetisoida. On myös peruuttamattomia prosesseja, kuten jonkin polttaminen. Mutta kaikki nämä prosessit, termodynamiikan toisen lain mukaan, johtavat joko järjestelmän säilymiseen tai laskemiseen.

Tämä tilanne ahdisti ja häiritsi 1800-luvun tieteellistä mieltä. Ja juuri silloin Maxwell muotoili ei-triviaalin ratkaisunsa, joka, kuten tuolloin näytti, mahdollisti sulavasti ohittaa toisen termodynamiikan lain ja estää kaaoksen väistämätöntä lisääntymistä suljetussa tilassa järjestelmään.

Hän järjesti sellaisen ajatuskokeen.

Ajatuskokeilu tai kuinka Maxwellin demoni ilmestyi

Maxwellin kokeen ydin:

Kuvittele astia, joka on jaettu kahteen yhtä suureen puolikkaaseen. Lisäksi osiossa (tämä jakaa säiliön kahteen identtiseen osaan ja on edelleen ehdottomasti kaasua läpäisemätön) on mikroskooppinen aukko, joka voi päästää vain yhden kaasuatomin kerrallaan.

Samanaikaisesti puolet astiasta on kokonaan täytetty kaasulla, ja toinen on täytetty puhtaalla tyhjöllä.

Kuvitelkaamme nyt henkisesti, että mikro-vartija esitetään tämän tarkistuspisteen oven luona tarkkailemalla kaasumolekyylejä tarkoin.

Samalla hän (vartija) avaa nopean molekyylin käytävän ja siirtää sen tyhjiön avulla säiliön toiseen puoliskoon ja jättää riittämättömän nopeat molekyylit sinne, missä ne olivat.

On loogista, että jos tarkistuspisteen työ vartijan kanssa kestää merkittävän ajan, kaasu jaetaan kahteen osaan. Toisessa on jäähdytetty kaasu, jossa on hitaat molekyylit, ja toisessa on kuuma kaasu, jossa on kuumia kaasumolekyylejä.

Siten järjestelmä järjestetään suhteessa alkutilaan, ja näin ollen termodynamiikan toista lakia rikotaan.

Lisäksi saavutettua lämpötilan epätasapainoa voidaan käyttää työn saamiseksi (syklin ja Carnotin lauseen mukaan).

Ja tämä tarkoittaa, että jos pahamaineinen vartija jätetään tarkistuspisteeseen rajoittamattomaksi ajaksi, niin me emme saa muuta kuin ikuisen liikkeen koneen.

Juuri tätä vartija-ohjainta muut tutkijat kutsuivat Maxwellin demoniksi. Ja näytti siltä, ​​että tässä kokeessa kaikki otettiin huomioon, ja oi, kuinka se ei vahingoita ikuista liikekonetta. Mutta on yksi merkittävä saalis.

Mikä on Demon Maxwellin ongelma

Lähes alusta, ajatuskokeilu kyseenalaistettiin, ja tästä syystä:

Demonivartijan loputtomaan työhön tarvitaan energiansyöttö fotonivirran muodossa, jota tarvitaan saapuvien molekyylien valaisemiseksi ja siivilöimiseksi.

Lisäksi kun lajitellaan molekyylejä, demoni ei voi olla vuorovaikutuksessa molekyylien kanssa, mikä tarkoittaa, että ne itse hankkivat lämpöenergiaa kaasusta. Tämä tarkoittaa, että entropia kasvaa väistämättä.

Ja tällaisen järjestelmän kokonaisentropia ei vähene millään tavalla. Tämä tarkoittaa, että toista lakia ei rikota.

Merkittävä vastaväite Maxwellin Demonin olemassaoloa vastaan ​​tuli kvanttimekaniikan syntymän jälkeen.

Joten lähestyvän kaasumolekyylin lajittelemiseksi oikein vartijan on mitattava tarkasti niiden nopeus, mikä on periaatteessa mahdotonta Heisenbergin epävarmuuden mukaan. Saman periaatteen mukaan myös molekyylin tarkkaa sijaintia ei voida määrittää.

Ja tämä tarkoittaa, että väistämättä jotkut molekyylit, joiden edessä ovi avataan, kaipaavat sitä.

Toisin sanoen Maxwellin demoni on lähinnä makroskooppinen elefantti mikromaailman posliinikaupassa, joka elää omien sääntöjensä mukaan.

Ja jos hänet (demonivalvoja) esitetään kvanttimekaniikan lakien mukaisesti, hän ei pysty lajittelemaan molekyylejä. Siksi se ei ole vaarallinen termodynamiikan toiselle laille.

Näin fysiikan myyttinen olento - Maxwellin demoni tuhoutui.

Jos pidit materiaalista, älä unohda arvioida sitä haluamallasi tavalla ja tilaa myös.

Kiitos lukemisesta loppuun asti!