Na konci 19. storočia britský fyzik James Maxwell navrhol myšlienkový experiment, ktorý zjavne porušuje zákony termodynamiky. Vďaka tomu bola ústredná postava tohto experimentu pomenovaná Maxwellov démon. Pokúsme sa prísť na to, čo je na tejto fiktívnej entite pozoruhodné.
Maxwellov démon je hypotetická entita, ktorú navrhol James Clerk Maxwell v jednom zo svojich myšlienkových experimentov, pravdepodobne v roku 1871.
Čo s tým má spoločné démon a Maxwell? Všeobecne je Maxwellova podstata akýmsi rozporuplným bohom zo stroja, dalo by sa povedať, že objavil spôsob, ako obísť jeden z najzásadnejších a nespochybniteľných zákonov vesmíru - druhý zákon termodynamiky. Vedeckí kolegovia spočiatku nebrali myšlienkový experiment vážne a boli dokonca zmätení, pretože táto „podstata“by mohla znamenať, že konečne môžete zabudnúť na plytvanie uhlím a získať prácu donekonečna, vlastne z ničoho.
A teraz sa pokúsime zistiť, prečo Maxwellov démon na konci 19. storočia spôsobil zmätok medzi vedcami.
Maxwellov démon - medzera v entropii
Maxwellov myšlienkový experiment sa pôvodne spomínal v korešpondencii vedca s Petrom Tateom okolo roku 1867. Verejnosti bola neskôr predstavená v Maxwellovej knihe o termodynamike s názvom Teória tepla, ktorá vyšla v roku 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Propagačné video:
Napriek tomu, že sám Maxwell pri opise experimentu nikdy nepoužil slovo „démon“, jeho agent otvoril dvere (v priečke v našej plynovej skrinke) medzi komorami ako „obmedzenú bytosť“. Prvýkrát táto entita bola pomenovaná „démonom“Williamom Thomsonom, známym ako Lord Kelvin, aby opísala agenta Maxwella v prírode v roku 1874. Ako odôvodnenie uviedol, že chce týmto spôsobom označiť sprostredkovateľskú podstatu podstaty, a v žiadnom prípade sa nezameriava na negatívnu konotáciu samotného slova.
Takže späť k experimentu. Jedná sa predovšetkým o uzavretý systém. Navrhovaný prístroj sa skladá z jednoduchého kvádra, ktorý obsahuje ľubovoľný plyn. Kváder je rozdelený na dva rovnako veľké úseky s rovnakou, rovnomernou teplotou. Na stene, ktorá delí úsek, sedí démon, ktorý starostlivo vyberá náhodne rozptýlené častice, aby sa všetky častice s vysokou kinetickou energiou zhromaždili v jednej časti, zatiaľ čo zvyšok - s nízkou kinetickou energiou - zostane v inej.
Môžeme povedať, že tento démon je metaforou zariadenia alebo stroja, ktorý je schopný starostlivo analyzovať rýchlosť alebo kinetickú energiu každej častice v ktorejkoľvek nádobe. Na základe svojej analýzy môže adaptácia presne určiť, ktoré častice by si mala zhruba nechať pre seba a ktorých sa zbaviť.
Vľavo: dve časti naplnené plynom. Vpravo: Maxwellov démon, ktorý otvára a zatvára dvere v priečke medzi sekciami / J. Hirshfield.
To medzitým odporuje všeobecne uznávanému názoru, že plynné častice sa pri konštantnej teplote pohybujú rovnakou rýchlosťou. Napriek tomu je rovnaká rýchlosť ich priemernou rýchlosťou, čo znamená, že existujú častice pohybujúce sa vyššou rýchlosťou, a sú tu častice pohybujúce sa nižšou rýchlosťou, čo všetko znižuje na priemernú hodnotu.
Týmto procesom - konaním démona Maxwella - sú všetky vysokoenergetické častice následne zahnané do jednej sekcie. Démon zvýšil teplotu jednej časti krabice v porovnaní s druhou. Táto nadmerná teplota alebo tlak sa môže použiť na napájanie turbíny alebo piestu. Áno, z toho vyplýva, že energiu získavame doslova z ničoho. Inými slovami, démon znížil entropiu bez toho, aby vynaložil akékoľvek úsilie.
Je však potrebné pochopiť, že prefíkaný démon použil svoje triky a vďaka tomu dokázal odporovať zákonu entropie, ale neporušil zákon zachovania energie. Jednoducho prerozdelil náhodnú kinetickú energiu, aby vytvoril tlakový rozdiel dostatočný na čerpanie energie z pôvodne vyváženého systému. Démonova prefíkanosť oklamala samotnú prírodu!
Môže taký prístroj existovať?
Nech je to už akokoľvek, takýto prístroj sa v skutočnosti nedá vytvoriť. Príroda sa nedá ľahko oklamať. Samozrejme, prefíkaný a šikovný démon sa dokázal vyhnúť represívnym sankciám druhého zákona termodynamiky, ale nedokáže sa vyhnúť oku prvého oka termodynamiky.
Podľa prvého termodynamického zákona nie je žiadny stroj schopný fungovať bez zdroja tepla a v priebehu práce ho dokáže aj čiastočne absorbovať. Alebo výkon procesu nikdy nedosiahne 100 percent. Nielenže stroje potrebujú stimul vo forme tepla, ale musia ho aj absorbovať, čím zvyšujú svoju vlastnú teplotu.
Premena tepelnej energie na mechanickú v parných strojoch nie je absolútna. Časť tepla absorbuje samotný motor, čo znižuje celkový výkon a zvyšuje entropiu, ktorá ho obklopuje.
Ak je démon technologicky vyspelý stroj, ktorý selektívne sleduje určité častice, vyvstáva otázka: odkiaľ berie energiu na vykonávanie svojej práce? Aj keď sa mu to nejako podarí, rozpínanie vo vzťahu k tepelnému výkonu stroja stále popiera možnosť zníženia entropie.
Prechod uzavretého systému z nízkej na vysokú entropiu / Sokratov.
Démon alebo stroj by museli získať informácie o časticiach. Zoberme si napríklad fotóny. V procese interakcie s nimi bude komplexný aparát, ako je Maxwellov démon, nevyhnutne míňať energiu a absorbovať časť samotného tepla, čím zvýši celkovú entropiu a vráti ju na pôvodnú hodnotu.
Zmyslom argumentu je, že podľa výpočtov každý démon nevyhnutne „vygeneruje“viac entropie oddelením molekúl, ako ju dokáže „zničiť“- to je v súlade s princípmi, na ktorých je založená. Inými slovami, stanovenie rýchlosti molekúl a ich výber, aby prešli dverami medzi sekciami, by vyžadovalo oveľa viac termodynamickej práce, ako množstvo energie získanej z teplotného rozdielu, ktorý vznikol po vykonanej práci.
Nech je to už akokoľvek, treba poznamenať, že Maxwell bol veľmi prefíkaný. Nebyť prvého termodynamického zákona, druhý zákon by nezachránil pred verejnou hanbou.
Vladimír Guillen