Maxwells dæmon eller hvordan man kommer omkring den anden lov om termodynamik

Hej kære gæster og abonnenter på min kanal. I dag vil jeg tale med dig om den såkaldte Demon of Maxwell, som blev genereret under diskussionen af ​​den anden lov om termodynamik. Så lad os komme i gang.

Ikke kun i science fiction-romaner kan du finde noget usædvanligt væsen, men selv i en tilsyneladende ekstremt langt fra fiktion viser videnskab som fysik at have et sted for usædvanlige og endda fantastiske skabninger, såsom dæmoner.

Måske den mest berømte sådan væsen var den såkaldte Maxwell-dæmon, som blev skabt af James Clerk Maxwell selv, skaberen af ​​Maxwell-ligningssystemet. Og han (dæmonen) blev opfundet under den aktive debat omkring den anden lov om termodynamik.

Hvad siger den anden lov om termodynamik?

Så ifølge den anden dynamiklov har den nok formuleringer, men samtidig er den fysiske betydning den samme: systemet, isoleret set ude af stand til uafhængigt at overgå fra en mindre ordnet tilstand til en mere ordnet en stat.

Lad os for eksempel forestille os et bestemt volumen gas, hvor molekyler bevæger sig med forskellige hastigheder. I henhold til den anden lov er gassen ikke i stand til uafhængigt at opdele i to halvdele, hvor den ene vil indeholde en gas med molekyler med lav hastighed, og den anden vil indeholde en gas med molekyler med høj hastighed.

Et stort antal processer klassificeres også som reversible. Så for eksempel kan almindeligt vand fryses, og efter afrimning kan der fås flydende vand igen.

Metal kan både magnetiseres og derefter demagnetiseres. Der er også irreversible processer, såsom at brænde noget. Men alle disse processer, ifølge den anden lov om termodynamik, vil enten føre til konservering eller til et fald i graden af ​​ordning af systemet.

Denne situation hjemsøgte og forstyrrede de videnskabelige sind i det 19. århundrede. Og det var på dette tidspunkt, at Maxwell formulerede sin ikke-trivielle løsning, som, som det så ud i det øjeblik, lov til at gå elegant over den anden lov om termodynamik og forhindre den uundgåelige stigning i kaos i et lukket system.

Han oprettede et sådant tankeeksperiment.

Tankeeksperiment eller hvordan Maxwells dæmon dukkede op

Essensen af ​​Maxwells eksperiment:

Forestil dig en beholder opdelt i to lige store halvdele. Desuden er der i skillevæggen (dette deler beholderen i to identiske dele og er stadig absolut uigennemtrængelig for gas) en mikroskopisk åbningsdør, der kun kan lade et gasatom passere ad gangen.

Og på samme tid er den ene halvdel af beholderen fuldstændig fyldt med gas, og den anden er fyldt med rent vakuum.

Lad os mentalt forestille os, at en mikrovagt præsenteres for denne kontrolpunktdør og observerer gasmolekylerne på den mest hensigtsmæssige måde.

Og på samme tid åbner han (vagten) passagen for hurtige molekyler og lader dem komme ind i anden halvdel af beholderen med et vakuum og efterlader de utilstrækkeligt hurtige dem, hvor de var.

Det er logisk, at hvis arbejdet med kontrolpunktet med vagten varer en betydelig tid, så vil gassen blive opdelt i to dele. Den ene vil have en afkølet gas med langsomme molekyler, og den anden vil have en varm gas med varme gasmolekyler.

Således ordnes systemet i forhold til den oprindelige tilstand, og dermed overtrædes den anden lov om termodynamik.

Desuden er den opnåede temperatur ubalance ganske acceptabel at bruge til opnåelse af arbejde (I henhold til cyklus og Carnots sætning).

Og det betyder, at hvis den berygtede vagtmand efterlades ved kontrolpunktet i ubegrænset tid, så får vi intet mere end en evig bevægelsesmaskine.

Det var denne vagtkontroller, som andre forskere kaldte Maxwells dæmon. Og det så ud til, at i dette eksperiment blev alt taget i betragtning, og åh, hvordan det ikke ville skade en evig bevægelsesmaskine. Men der er en betydelig hake.

Hvad er Demon Maxwells problem

Næsten fra starten blev tankeeksperimentet sat i tvivl, og her er hvorfor:

For dæmonvagternes uendelige arbejde kræves energiforsyning i form af en strøm af fotoner, hvilket er nødvendigt for at belyse og sigtede indgående molekyler.

Desuden kan dæmonen ikke sortere molekyler, men interagere med molekylerne, hvilket betyder, at de selv vil erhverve termisk energi fra gassen. Dette betyder, at entropien uundgåeligt vil stige.

Og den samlede entropi af et sådant system vil ikke falde på nogen måde. Dette betyder, at der ikke er nogen overtrædelse af den anden lov.

Et betydeligt modargument mod eksistensen af ​​Maxwells dæmon kom efter fødslen af ​​kvantemekanik.

For at kunne sortere de flyvende gasmolekyler korrekt skal vagten nøjagtigt måle deres hastighed, hvilket i princippet er umuligt i henhold til Heisenbergs usikkerhed. Ifølge det samme princip kan molekylets nøjagtige position heller ikke bestemmes.

Og det betyder, at uundgåeligt nogle af molekylerne, før døren åbnes, vil savne det.

Det vil sige, Maxwells dæmon er i det væsentlige en makroskopisk elefant i mikroverdenens porcelænsbutik, der lever efter sine egne regler.

Og hvis han (dæmonvagteren) præsenteres i overensstemmelse med kvantemekanikens love, vil han ikke være i stand til at sortere molekylerne. Derfor er det ikke farligt for den anden lov om termodynamik.

Dette blev, hvordan den mytiske væsen af ​​fysik, Demon af Maxwell, blev ødelagt.

Hvis du kunne lide materialet, så glem ikke at bedømme det, som du ønsker, og abonner også.

Tak for læsningen til slutningen!