Na konci 19. století navrhl britský fyzik James Maxwell myšlenkový experiment, který zdánlivě porušuje zákony termodynamiky. Ve výsledku byla ústřední postava tohoto experimentu pojmenována Maxwellův démon. Pokusme se přijít na to, co je na této fiktivní entitě pozoruhodné.
Maxwell's Demon je hypotetická entita navržená Jamesem Clerkem Maxwellem v jednom ze svých myšlenkových experimentů, pravděpodobně v roce 1871.
Co s tím má démon a Maxwell společného? Obecně lze říci, že Maxwellova podstata je druh protichůdného boha ze stroje, dalo by se říci, když objevil způsob, jak obejít jeden z nejzásadnějších a nesporných zákonů vesmíru - druhý zákon termodynamiky. Zpočátku vědci nebrali myšlenkový experiment vážně a byli dokonce zmateni, protože tato „podstata“by mohla znamenat, že můžete konečně zapomenout na plýtvání uhlím a jen donekonečna získat práci, ve skutečnosti z ničeho.
A nyní se pokusíme přijít na to, proč Maxwellov démon na konci 19. století způsobil zmatek mezi vědci.
Maxwellův démon - mezera v entropii
Maxwellov myšlenkový experiment byl původně zmíněn v korespondenci vědce s Peterem Tateem kolem roku 1867. To bylo později představeno veřejnosti v Maxwellově knize o termodynamice zvané Teorie tepla, vydané v roce 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Propagační video:
Navzdory skutečnosti, že sám Maxwell při popisu experimentu nikdy nepoužil slovo „démon“, jeho agent otevřel dveře (v přepážce v naší plynové schránce) mezi komorami jako „omezenou bytost“. Tuto entitu poprvé nazval „démon“William Thomson, známý jako lord Kelvin, k popisu agenta Maxwella v přírodě v roce 1874. Jako odůvodnění uvedl, že chce tímto způsobem označit zprostředkující povahu esence a v žádném případě nebude zdůrazňovat negativní konotaci samotného slova.
Takže zpět k experimentu. Jedná se především o uzavřený systém. Navrhované zařízení se skládá z jednoduchého kvádru, který obsahuje nějaký libovolný plyn. Kvádr je rozdělen na dvě stejně velké úseky se stejnou jednotnou teplotou. Na stěně dělící část sedí démon, který opatrně vybírá náhodně rozptýlené částice, takže všechny částice s vysokou kinetickou energií jsou shromažďovány v jedné části, zatímco zbytek - s nízkou kinetickou energií - zůstává v jiné.
Můžeme říci, že tento démon je metaforou pro zařízení nebo stroj schopný pečlivě analyzovat rychlost nebo kinetickou energii každé částice v jakékoli nádobě. Na základě své analýzy může adaptace přesně určit, které částice by si měla zhruba nechat pro sebe a kterých se zbavit.
Vlevo: dvě sekce naplněné plynem. Vpravo: Maxwellův démon otevírá a zavírá dveře v přepážce mezi sekcemi / J. Hirshfield.
To je v rozporu s obecně přijímaným názorem, že částice plynu se při konstantní teplotě pohybují stejnou rychlostí. Nicméně stejná rychlost je jejich průměrná rychlost, což znamená, že existují částice pohybující se vyšší rychlostí a existují částice pohybující se nižší rychlostí, což vše snižuje na průměrnou hodnotu.
Prostřednictvím tohoto procesu - akce démona Maxwella - jsou všechny vysokoenergetické částice následně zahnány do jedné sekce. Démon zvýšil teplotu jedné části krabice ve srovnání s druhou. Tato nadměrná teplota nebo tlak lze použít k napájení turbíny nebo pístu. Ano, z toho vyplývá, že energii získáváme doslova z ničeho. Jinými slovy, démon snížil entropii bez vynaložení jakéhokoli úsilí.
Je však nutné si uvědomit, že mazaný démon uplatnil své triky a v důsledku toho dokázal odporovat zákonu entropie, ale neporušil zákon zachování energie. Jednoduše přerozdělil náhodnou kinetickou energii, aby vytvořil tlakový rozdíl dostatečný k čerpání energie z původně vyváženého systému. Démonova mazaná oklamala samotnou povahu!
Může takový přístroj existovat?
Ať je to jakkoli, takový aparát nelze ve skutečnosti vytvořit. Příroda se nedá snadno oklamat. Samozřejmě, mazaný a chytrý démon se dokázal vyhnout represivním sankcím druhého termodynamického zákona, ale nemůže se dostat pryč od vševidoucího oka prvního termodynamického zákona.
Podle prvního termodynamického zákona není žádný stroj schopen fungovat bez zdroje tepla a v průběhu práce jej může také částečně absorbovat. Nebo výkon procesu nikdy nedosáhne 100 procent. Nejen, že stroje potřebují stimul ve formě tepla, ale musí ho také absorbovat, čímž zvyšují svoji vlastní teplotu.
Přeměna tepelné energie na mechanickou v parních strojích není absolutní. Část tepla je absorbována samotným motorem, což snižuje celkový výkon a zvyšuje entropii, která jej obklopuje.
Pokud je démon technologicky vyspělý stroj, který selektivně sleduje určité částice, vyvstává otázka: odkud získává energii, aby mohla vykonávat svou práci? I když se mu to nějak podaří, rozpínání ve vztahu k tepelnému výkonu stroje stále popírá možnost snížení entropie.
Přechod uzavřeného systému z nízké na vysokou entropii / Sokratova.
Démon nebo stroj by musel získat informace o částicích. Vezměte si například fotony. V procesu interakce s nimi bude komplexní aparát, jako je Maxwellov démon, nevyhnutelně utrácet energii a absorbovat část samotného tepla, čímž zvýší celkovou entropii a vrátí ji na původní hodnotu.
Smyslem argumentu je, že podle výpočtů každý démon nevyhnutelně „vygeneruje“více entropie oddělením molekul, než kolik dokáže „zničit“- to je v souladu s principy, na nichž je založen. Jinými slovy, stanovení rychlosti molekul a jejich výběr pro průchod dveřmi mezi sekcemi by vyžadovalo mnohem více termodynamické práce než množství energie získané z teplotního rozdílu, který vznikl po dokončení práce.
Ať je to jakkoli, je třeba poznamenat, že Maxwell byl velmi mazaný. Nebýt prvního zákona termodynamiky, nic by nezachránilo druhý zákon před veřejnou hanbou.
Vladimir Guillen