Kas yra Maxvelo demonas?

Lorencas - kas yra lochas? (Liepa 2019).

Anonim

Maxvelo demonas yra hipotetinis objektas, kurį fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas sukūrė vienu iš jo minčių eksperimentų apie 1871 m. Minties eksperimentą sudarė aparatas, kuris išskiria darbą iš izoliuotos sistemos, nepaisant to, kad jis egzistuoja pusiausvyroje, vienoje vienodoje temperatūroje.

Iš esmės, "Maxwell" sąvoka yra tam tikra "deus ex machina", prieštaraujanti ar protingai išdėstyta, kas yra pagrindinis ir neginčijamas visatos įstatymas: 2-asis termodinamikos įstatymas. Natūralu, kad darbų ar energijos ištraukimo idėja, atrodo, nieko nepaslėpė savo kolegų - tikrai tai gali reikšti, kad nenuilstančiai maitinančiam angliavandeniui pasibaisėtinas garų variklis? Nemokamas pietums!

Ar ne taip pagrindiška dabar?

Na, ne tikrai. Norėdami suprasti, kaip tai veikia, pirmiausia turime suvokti, kas yra įstatymas ir kodėl atskleisti spragą sukelia riaušes.

Izoliuotos sistemos ir Antrasis termodinamikos įstatymas

(Photo Credit: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Įstatymas reglamentuoja šilumos srauto kryptį tarp dviejų objektų ar regionų, kurie yra nekontroliuojami pagal jų temperatūrą. Jame teigiama, kad du skirtingų temperatūrų kūnai, susipažinę su kitais ir izoliuoti nuo jų aplinkos, išsivystys į termodinaminę pusiausvyrą, kurioje abu kūnai turi maždaug vienodą temperatūrą. Kad taip atsitiktų, logiškai galima daryti išvadą, kad šiluma turi tekėti iš aukštesnės temperatūros objekto iki žemesnės temperatūros objekto.

Tačiau šiluma gali tekėti priešinga kryptimi, jei jai padeda kita sistema (ne izoliuotoji sistema).

Pagalvokite apie tai, kaip keistis vandeniu tarp dviejų kibirėlių. Čia temperatūros samprata gali būti vaizduojama vandens kiekio, kurį sudaro kibiras. Tuomet aukštesnės temperatūros objektas iliustruoja kaušas su daugiau vandens, o žemesnės temperatūros objektas - mažesniame vandens kibire.

Jei dabar kaušai sujungiami su siaura vamzdžiu, kaip parodyta toliau esančiame paveikslėlyje, jūs pastebėsite, kad vanduo tekės iš kibiras, kuriame yra daugiau vandens į gretimą vandenį, kol vanduo bus lygus angai. Dabar vanduo nebegaus tekėjimo, tai reikštų pusiausvyros atsiradimą. Atminkite, kad šis nustatymas reiškia izoliuotą sistemą.

Dabar vanduo taip pat gali tekėti ir kitoje kryptyje: nuo nuskurdinto kibiras iki visos, bet tai galima pasiekti tik atlikdami pirmąjį darbą: pakreipdami jį taip, kad vanduo tekėtų per siaurą tunelį arba užpildydami jį trečiuoju kibiru pertekliniu vandeniu, abiem atvejais su išorine pagalba. Šis nustatymas reiškia ne izoliuotą sistemą.

Tai yra akivaizdu šaldytuvuose ar oro kondicionieriuose, kuriuose gaunamas šaltas vėjas šilumos sąskaita kitoje sistemoje - kondensatoriuje.

Įstatymas taip pat gali būti apibrėžtas entropijos, statistinio sutrikimo ar sistemos atsitiktinumo požiūriu. Atsitiktinumo požiūriu izoliuotoje sistemoje entropija tik padidės. Kita vertus, ne izoliuotoje sistemoje, liudijanti grįžtamąjį procesą, entropija yra pastovi. Tačiau vėlgi, pastovumas ateina aplinkinių sąskaita - ištremta šiluma prideda entropiją prie visos Visatos entropijos. Entropijos padidėjimas lemia natūralių procesų negrįžtumą.

Taigi energijos išgauti iš sistemos į pusiausvyrą neįmanoma, bet kaip velnias tai daro?

Maksvelo demonas - spraga

Tai prieštarauja konvencijai, kad dujų, esančių pastovioje temperatūroje, dalelės važiuoja tuo pačiu greičiu. Tačiau tas pats greitis yra jų vidutinis greitis, o tai reiškia, kad yra dalelių, kurios važiuoja greičiau nei ta, ir dalelės, kurios keliauja lėčiau, o viena kita - vidutiniškai.

Šis paprastas procesas, po to visos dalelės, turinčios didelę energiją, kampuojamos vienoje kameroje. Demonas pakėlė vienos kameros temperatūrą, lygindamas kitą. Ši perteklinė temperatūra ar slėgis gali būti naudojami varikliui prijungti arba stūmokliui stumti, taip, be akivaizdaus nieko. Kitaip tariant, demonas sumažino entropiją be jokių darbo išlaidų!

"Maxwell" minėjo apie šią sensacinę idėją, kai jam buvo draudžiama įeiti į klubą, nes jis buvo nerd.

Būtina suprasti, kad demonas savo klastingais būdais prieštaravo entropijos teisei, tačiau jis vis tiek nepažeidė energijos išsaugojimo įstatymo. Jis tiesiog perskirstė atsitiktinę kinetinę energiją, kad susidarytų slėgio skirtumas, tokiu būdu, kad energiją galima išgauti iš pradinės pusiausvyros sistemos! Demono pasipiktinimas apgaulė gamtą.

Ar toks aparatas gali egzistuoti?

Kartais jaučiu, kad mano šaldytuvo tėtis jam yra per sunkus.

Panašiai, jei demonas yra labai pažangi mašina, kuri selektyviai ieško tam tikrų dalelių, kyla klausimas, iš kur ji gauna savo energiją iš darbo? Ir net jei taip, išplėstinis įrenginio šilumos efektyvumas vis dar neleidžia sumažinti entropijos.

Demonas ar mašina turėtų gauti informacijos apie daleles, pavyzdžiui, tarkim, fotonų aptikimą. Sąveikoje su jais sudėtinga mašina neišvengiamai ištrauks energiją ir patikslins tam tikrą šilumą, taip padidindama grynąją entropiją iki pradinės vertės.

Argumento esmė yra ta, kad pagal skaičiavimus bet kuris demonas turi "sugeneruoti" daugiau entropijos, išskiriančios molekules, nei ji galėtų išnykti remiantis principais, kuriais ji grindžiama. Tai reiškia, kad reikia daugiau termodinaminių darbų, kad būtų galima nustatyti molekulių greitį ir selektyviai leisti jiems pereiti per angą tarp kamerų nei energijos kiekis, gautas dėl proceso sukelto temperatūros skirtumo.

Galų gale sakoma ir padaryta, reikia vertinti Maxwello pasipiktinimą. Tačiau, jei nebūtų pirmojo įstatymo, niekas negalėjo išsaugoti antrojo įstatymo dėl viešai pasmerktos. Galų gale nemokamų pietų nėra!