La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicianul britanic James Maxwell a propus un experiment de gândire care încalcă aparent legile termodinamicii. Drept urmare, personajul central al acestui experiment a fost numit demonul lui Maxwell. Să încercăm să ne dăm seama ce este remarcabil la această entitate fictivă.
Demonul lui Maxwell este o entitate ipotetică propusă de James Clerk Maxwell într-unul din experimentele sale de gândire, probabil în 1871.
Ce legătură au demonul și Maxwell cu el? În general, esența propusă de Maxwell este un fel de zeu contradictoriu al mașinii, s-ar putea spune, după ce a descoperit o modalitate de a ocoli una dintre cele mai fundamentale și incontestabile legi ale Universului - a doua lege a termodinamicii. Inițial, colegii omului de știință nu au luat în serios experimentul de gândire și chiar au fost confuzi, deoarece această „esență” ar putea însemna că, în sfârșit, puteți uita de risipirea cărbunelui și doar obțineți un loc de muncă la nesfârșit, de fapt, din nimic.
Și acum vom încerca să ne dăm seama de ce demonul lui Maxwell a provocat uimire în rândul luminilor științei la sfârșitul secolului al XIX-lea.
Demonul lui Maxwell - o lacună în entropie
Experimentul de gândire al lui Maxwell a fost menționat inițial în corespondența savantului cu Peter Tate în jurul anului 1867. Ulterior a fost introdus publicului în cartea lui Maxwell despre termodinamică numită Teoria căldurii, publicată în 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Video promotional:
În ciuda faptului că Maxwell însuși nu a folosit niciodată cuvântul „demon” atunci când a descris experimentul, agentul său a deschis ușa (în partiția din cutia noastră de gaz) dintre camere ca „ființă limitată”. Această entitate a fost numită pentru prima dată „demon” de William Thomson, cunoscut sub numele de Lord Kelvin, pentru a-l descrie pe Agent Maxwell în Nature în 1874. Ca justificare, el a susținut că dorește să desemneze natura mediatoră a esenței în acest mod și în niciun caz nu va sublinia conotația negativă a cuvântului în sine.
Deci, înapoi la experiment. Acesta este în primul rând un sistem închis. Aparatul propus constă dintr-un cuboid simplu, care conține niște gaze arbitrare. Cuboidul este împărțit în două secțiuni de dimensiuni egale cu aceeași temperatură uniformă. Pe peretele care împarte secțiunea, un demon stă, culegând cu atenție particulele împrăștiate aleator, astfel încât toate particulele cu energie cinetică mare să fie colectate într-o secțiune, în timp ce restul - cu energie cinetică scăzută - rămân în alta.
Putem spune că acest demon este o metaforă pentru un dispozitiv sau o mașină capabilă să analizeze cu atenție viteza sau energia cinetică a fiecărei particule din orice container. Pe baza analizei sale, adaptarea poate determina exact ce particule ar trebui, aproximativ vorbind, să păstreze pentru sine și de care - să scape.
În stânga: două secțiuni umplute cu gaz. Dreapta: demonul lui Maxwell deschizând și închizând ușa în partiția dintre secțiuni / J. Hirshfield.
Între timp, acest lucru contrazice opinia general acceptată conform căreia particulele de gaz la o temperatură constantă se mișcă cu aceeași viteză. Cu toate acestea, aceeași viteză este viteza lor medie, ceea ce înseamnă că există particule care se mișcă la o viteză mai mare și există particule care se mișcă la o viteză mai mică, reducând totul la o valoare medie.
Prin acest proces - acțiunile demonului Maxwell - toate particulele de mare energie sunt ulterior conduse într-o singură secțiune. Demonul a ridicat temperatura unei părți a cutiei în comparație cu cealaltă. Această temperatură sau presiune în exces poate fi utilizată pentru a alimenta turbina sau pistonul. Da, rezultă că obținem energie din literalmente nimic. Cu alte cuvinte, demonul a redus entropia fără a depune niciun efort.
Este necesar să înțelegem, totuși, că demonul viclean și-a folosit trucurile și, în consecință, a fost în măsură să contrazică legea entropiei, dar nu a încălcat legea conservării energiei. El a redistribuit pur și simplu energia cinetică aleatorie pentru a crea un diferențial de presiune suficient pentru a extrage energia dintr-un sistem inițial echilibrat. Vicleșugul demonului a înșelat însăși natura!
Poate exista un astfel de aparat?
Oricum ar fi, un astfel de aparat nu poate fi creat în realitate. Natura nu este ușor înșelată. Desigur, demonul viclean și deștept a reușit să evite sancțiunile opresive ale celei de-a doua legi a termodinamicii, dar nu poate scăpa de ochiul atotvăzător al primei legi a termodinamicii.
Conform primei legi a termodinamicii, nici o mașină nu este capabilă să funcționeze fără o sursă de căldură și, în procesul de lucru, o poate absorbi parțial. Sau procesul nu va fi niciodată 100% eficient. Nu numai că mașinile au nevoie de stimul sub formă de căldură, ci trebuie să-l absoarbă, ridicându-și astfel propria temperatură.
Conversia energiei termice în energie mecanică la motoarele cu aburi nu este absolută. O parte din căldură este absorbită de motorul în sine, reducând performanța generală și mărind entropia care îl înconjoară.
Dacă demonul este o mașină de înaltă tehnologie care urmărește selectiv anumite particule, apare întrebarea: de unde ia energie pentru a-și face treaba? Chiar dacă cumva reușește să facă acest lucru, extinderea în raport cu performanța termică a mașinii neagă totuși posibilitatea unei scăderi a entropiei.
Tranziția unui sistem închis de la entropie scăzută la înalt / socratic.
Un demon sau o mașină ar trebui să obțină informații despre particule. Luați fotoni, de exemplu. În procesul de interacțiune cu ei, un aparat complex precum demonul lui Maxwell va cheltui în mod inevitabil energie și va absorbi o parte din căldură în sine, crescând entropia totală și readucând-o la valoarea inițială.
Scopul argumentului este că, potrivit calculelor, orice demon va „genera” inevitabil mai multă entropie prin separarea moleculelor decât poate „distruge” vreodată - acest lucru este în concordanță cu principiile pe care se bazează. Cu alte cuvinte, ar fi nevoie de mult mai multă muncă termodinamică pentru a determina viteza moleculelor și a le selecta pentru a trece prin ușă între secțiuni decât cantitatea de energie câștigată din diferența de temperatură care a apărut după munca depusă.
Oricum ar fi, trebuie remarcat faptul că Maxwell a fost foarte viclean. Totuși, dacă nu ar fi prima lege a termodinamicii, nimic nu ar fi salvat a doua lege de rușinea publică.
Vladimir Guillen
