Što je Maxwellov demon?

The Map of Physics (Svibanj 2019).

Anonim

Maxwellov demon je hipotetska cjelina koju je fizičar James Clerk Maxwell conjured u jednom od njegovih misli eksperimenta oko 1871. Eksperiment misli sastojao se od aparata koji će izdvojiti rad iz izoliranog sustava, unatoč tome što postoji u ravnoteži, na jednoj jedinstvenoj temperaturi.

U osnovi, Maxwellova zamišljena cjelina je neka vrsta deus ex machina koja proturječi ili je pametno osmislila put oko onoga što je najosnovniji i nesumnjivi zakon svemira: 2. zakon termodinamike. Naravno, pojam oduzimanja posla ili energije naizgled ništa nije zbunjivalo svoje kolege - sigurno bi to moglo značiti kraj neumornog hranjenja ugljena za krvav parni motor? Besplatni ručak!

Nije tako bitno sada je to?

Pa, ne stvarno. Da bismo shvatili kako to funkcionira, najprije moramo shvatiti što zakonski podrazumijeva i zašto otkrivanje praznine poziva na pobune.

Izolirani sustavi i drugi zakon termodinamike

(Foto: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Zakon regulira smjer strujanja topline između dva objekta ili područja koja nisu sukladna s obzirom na njihovu temperaturu. Navodi se da će dva tijela različitih temperatura, kada se međusobno upoznaju i izdvojena iz okoline, evoluirati u termodinamičku ravnotežu u kojoj oba tijela imaju otprilike istu temperaturu. Da bi se to moglo dogoditi, logično se može zaključiti da toplina mora proći od objekta viših temperatura do nižih temperatura.

Međutim, toplina može protjecati u suprotnom smjeru, pod uvjetom da ga pomaže drugi sustav (neizolirani sustav).

Razmislite o ovoj razmjeni kao što je razmjena vode između dvije kante. Ovdje se pojam temperature može prikazati količinom vode koju sadrži kantu. Objekt viših temperatura ilustriran je s kantom s više vode, a predmetom niže temperature pomoću kante s manje vode.

Ako se kante sada spajaju s uskom cijevi, kao što je prikazano na donjoj slici, vidjet ćete da će voda izvući iz vode koja sadrži više vode u susjednu vodu do razine vode s otvorom. Sada voda neće nastaviti strujati, što označava početak ravnoteže. Imajte na umu da ova postavka predstavlja izolirani sustav.

Sada, voda može također protjecati u drugom smjeru: od siromašnog kante do pune, ali to se može postići samo radom na prvom: bilo tako naginjanjem do stupnja tako da voda teče kroz uski tunel ili punjenje s viškom vode iz treće kante, u oba slučaja koji uključuju vanjsku pomoć. Ta postavka predstavlja neizolirani sustav.

To se očituje u hladnjacima ili klima uređajima gdje se dobiva hladan povjetarac na štetu topline drugog sustava - kondenzatora.

Zakon se također može definirati u smislu entropije, mjera statističkog poremećaja ili slučajnosti sustava. Što se tiče slučajnosti, u izoliranom sustavu entropija će se povećati. S druge strane, u neizoliranom sustavu, svjedoci reverzibilnog procesa, entropija je konstanta. Međutim, opet, postojanost dolazi na štetu okoline - izgnanu toplinu dodaje entropiju entropiji u cjelini svemira. Porast entropije predstavlja nepovratnost prirodnih procesa.

Stoga, izvlačenje energije iz sustava u ravnoteži je nemoguće, ali kako to radi vrag?

Maxwellov Demon - praznina

To je u suprotnosti s konvencijom da čestice plina pri konstantnoj temperaturi putuju po istoj brzini. Međutim, ta je brzina njihova prosječna brzina, što znači da postoje čestice koje putuju brže od toga i čestice koje putuju sporijima, međusobno negiraju u prosjeku.

Ovim jednostavnim postupkom, poslije, sve čestice s visokim energijama su urezane u jednu komoru. Demon je podigao temperaturu jedne komore u usporedbi s drugom. Taj višak temperature ili tlaka može se koristiti za napajanje turbine ili guranje klipa, da, iz vidljivo ništa. Da bi to drugi način, demon je smanjio entropiju bez ikakvog trošenja rada!

Maxwell je pomislio na tu senzacionalnu ideju nakon što mu je zabranjeno ulazak u klub, jer je bio glupan.

Neophodno je shvatiti da je demon na svojim podmuklim načinima proturječio zakon entropije, ali još uvijek nije prekršio zakon o zaštiti energije. Jednostavno je redistribuirao slučajnu kinetičku energiju kako bi stvorila razliku tlaka, tako da se energija može sakupiti iz prvotno uravnoteženog sustava! Demonov potop je natrljala samu prirodu.

Može li takav aparat stvarno postojati?

Ponekad osjećam da je moj hladnjakova tata previše teško za njega.

Slično tome, ako je demon vrlo napredni stroj koji selektivno traži određene čestice, postavlja se pitanje odakle dobiva svoju energiju da rade? Čak i ako se to dogodi, produžetak u pogledu toplinske učinkovitosti stroja i dalje poriče mogućnost smanjene entropije.

Demon ili stroj bi trebali dobiti informacije o česticama, na primjer, recimo, otkrivanje fotona. U procesu interakcije s njima, složeni strojevi poput ove neizbježno će potrošiti energiju i upijati neke topline, čime se povećava neto entropija natrag na početnu vrijednost.

Bit argumente je da izračunima svaki demon mora "generirati" više entropije koji odvaja molekule nego što bi ikad mogao iskorijeniti načelima na kojima se temelji. To znači da bi trebalo više termodinamičkog rada za otkrivanje brzine molekula i selektivno ih omogućiti da prođu kroz otvor između komora nego količina energije dobivene temperaturnom razlikom uzrokovanom procesom.

Nakon što je sve rečeno i učinjeno, treba se cijeniti Maxwellova prikrivanja. Međutim, ako nije riječ o prvom zakonu, nitko nije mogao spasiti drugi zakon od javnog razmišljanja. Uostalom nema besplatnih ručkova!