Δαίμονας του Maxwell ή πώς να περιηγηθείτε στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής

Γεια σας αγαπητοί καλεσμένοι και συνδρομητές του καναλιού μου. Σήμερα θέλω να σας μιλήσω για το λεγόμενο Maxwell's Demon, το οποίο δημιουργήθηκε κατά τη συζήτηση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ας ξεκινήσουμε λοιπόν.

Όχι μόνο στα μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας μπορείτε να βρείτε κάποιο ασυνήθιστο πλάσμα, αλλά ακόμη και σε ένα φαινομενικά εξαιρετικά Μακριά από τη φαντασία, η επιστήμη όπως η φυσική αποδεικνύεται ότι έχει μια θέση για ασυνήθιστα και ακόμη και φανταστικά πλάσματα, όπως δαίμονες.

Ίσως το πιο διάσημο τέτοιο πλάσμα ήταν το λεγόμενο Maxwell Demon, το οποίο δημιουργήθηκε από τον ίδιο τον James Clerk Maxwell, τον δημιουργό του συστήματος εξισώσεων Maxwell. Και αυτός (ο δαίμονας) εφευρέθηκε κατά τη διάρκεια της ενεργού συζήτησης γύρω από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Τι λέει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής;

Έτσι, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της δυναμικής, έχει αρκετές διατυπώσεις, αλλά ταυτόχρονα το φυσικό νόημα είναι το ίδιο: το σύστημα, μεμονωμένα, ανίκανος να μεταβεί ανεξάρτητα από μια κατάσταση λιγότερο διαταγμένη σε μια πιο οργανωμένη κατάσταση.

Για παράδειγμα, ας φανταστούμε έναν συγκεκριμένο όγκο αερίου όπου τα μόρια κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, το αέριο δεν μπορεί να χωριστεί ανεξάρτητα σε δύο μισά, όπου το ένα θα περιέχει ένα αέριο με μόρια χαμηλής ταχύτητας, και το άλλο θα περιέχει ένα αέριο με μόρια υψηλής ταχύτητας.

Επίσης, ένας μεγάλος αριθμός διαδικασιών κατηγοριοποιούνται ως αναστρέψιμες. Έτσι, για παράδειγμα, το συνηθισμένο νερό μπορεί να καταψυχθεί και μετά την απόψυξη, μπορείτε να πάρετε ξανά υγρό νερό.

Το μέταλλο μπορεί να μαγνητιστεί και μετά να απομαγνητιστεί. Υπάρχουν επίσης μη αναστρέψιμες διαδικασίες, όπως η καύση κάτι. Όμως όλες αυτές οι διαδικασίες, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, θα οδηγήσουν είτε στη διατήρηση είτε σε μείωση του βαθμού παραγγελίας του συστήματος.

Αυτή η κατάσταση στοιχειώνει και ενοχλεί τα επιστημονικά μυαλά του 19ου αιώνα. Και εκείνη τη στιγμή ο Maxwell διατύπωσε τη μη ασήμαντη λύση του, η οποία, όπως φαινόταν εκείνη την εποχή, κατέστησε δυνατή την παράκαμψη του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής και την πρόληψη της αναπόφευκτης αύξησης του χάους σε κλειστό Σύστημα.

Έκανε ένα τέτοιο πείραμα σκέψης.

Σκέψη πειράματος ή πώς εμφανίστηκε ο δαίμονας του Maxwell

Η ουσία του πειράματος του Maxwell:

Φανταστείτε ένα δοχείο χωρισμένο σε δύο ίσα μισά. Επιπλέον, στο διαμέρισμα (αυτό χωρίζει το δοχείο σε δύο ίδια μέρη και εξακολουθεί να είναι απολύτως αδιαπέραστο από το αέριο) υπάρχει μια μικροσκοπική θύρα ανοίγματος που μπορεί να αφήσει μόνο ένα άτομο αερίου να περάσει κάθε φορά.

Ταυτόχρονα, το ήμισυ του δοχείου είναι πλήρως γεμάτο με αέριο και το δεύτερο γεμάτο με καθαρό κενό.

Τώρα ας φανταστούμε διανοητικά ότι ένας μικρο-φύλακας παρουσιάζεται σε αυτήν την πόρτα του σημείου ελέγχου, παρατηρώντας τα μόρια αερίου με τον πιο πρόθυμο τρόπο.

Και ταυτόχρονα, αυτός (ο φύλακας) ανοίγει το πέρασμα για γρήγορα μόρια και τα αφήνει στο δεύτερο μισό του δοχείου με κενό, και αφήνει τα ανεπαρκώς υψηλής ταχύτητας εκεί που ήταν.

Είναι λογικό ότι εάν η εργασία του σημείου ελέγχου με τον φύλακα διαρκεί σημαντικό χρόνο, τότε το αέριο θα χωριστεί σε δύο μέρη. Το ένα θα έχει ένα ψυχρό αέριο με αργά μόρια και το άλλο θα έχει ένα ζεστό αέριο με μόρια θερμού αερίου.

Έτσι, το σύστημα θα ταξινομηθεί σε σχέση με την αρχική κατάσταση, και έτσι παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.

Επιπλέον, η ληφθείσα ανισορροπία θερμοκρασίας είναι αρκετά αποδεκτή για χρήση για την επίτευξη εργασίας (Σύμφωνα με το θεώρημα του κύκλου και του Carnot).

Και αυτό σημαίνει ότι εάν ο περιβόητος φύλακας παραμείνει στο σημείο ελέγχου για απεριόριστο χρόνο, τότε δεν θα έχουμε τίποτα περισσότερο από μια αέναη μηχανή κίνησης.

Ήταν αυτός ο φύλακας-ελεγκτής που άλλοι επιστήμονες ονόμασαν το Demon of Maxwell. Και φάνηκε σε αυτό το πείραμα ότι όλα ελήφθησαν υπόψη και ω, πώς δεν βλάπτει μια διαρκή μηχανή κίνησης. Υπάρχει όμως ένα σημαντικό αποτέλεσμα.

Ποιο είναι το πρόβλημα του Demon Maxwell

Σχεδόν από την αρχή, το πείραμα σκέψης τέθηκε υπό αμφισβήτηση, και εδώ γιατί:

Για την ατελείωτη δουλειά του δαιμόνου φύλακα, απαιτείται παροχή ενέργειας με τη μορφή ροής φωτονίων, η οποία είναι απαραίτητη για τον φωτισμό και την κοσκίνιση των φθινομένων μορίων.

Επίσης, κατά την ταξινόμηση μορίων, ο δαίμονας δεν μπορεί παρά να αλληλεπιδρά με τα μόρια, πράγμα που σημαίνει ότι οι ίδιοι θα αποκτήσουν θερμική ενέργεια από το αέριο. Αυτό σημαίνει ότι η εντροπία θα αυξηθεί αναπόφευκτα.

Και η συνολική εντροπία ενός τέτοιου συστήματος δεν θα μειωθεί με κανέναν τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει παραβίαση του δεύτερου νόμου.

Ένα σημαντικό αντεπιχείρημα κατά της ύπαρξης του Maxwell's Demon ήρθε μετά τη γέννηση της κβαντικής μηχανικής.

Έτσι, για να ταξινομηθεί σωστά τα επερχόμενα μόρια αερίου, ο φύλακας πρέπει να μετρήσει με ακρίβεια την ταχύτητά τους, κάτι που κατ 'αρχήν είναι αδύνατο σύμφωνα με την αβεβαιότητα του Heisenberg. Επίσης, σύμφωνα με την ίδια αρχή, δεν μπορεί να προσδιοριστεί η ακριβής θέση του μορίου.

Και αυτό σημαίνει ότι αναπόφευκτα ορισμένα από τα μόρια, μπροστά από τα οποία θα ανοίξει η πόρτα, θα το χάσουν.

Δηλαδή, ο δαίμονας του Maxwell είναι ουσιαστικά ένας μακροσκοπικός ελέφαντας στο κατάστημα της Κίνας του microworld, που ζει σύμφωνα με τους δικούς του κανόνες.

Και αν αυτός (ο δαίμονας φύλακας) παρουσιαστεί σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, τότε δεν θα είναι σε θέση να ταξινομήσει τα μόρια. Επομένως, δεν είναι επικίνδυνο για το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Έτσι καταστράφηκε το μυθικό πλάσμα της φυσικής - ο δαίμονας του Maxwell.

Εάν σας άρεσε το υλικό, μην ξεχάσετε να το βαθμολογήσετε όπως θέλετε και επίσης να εγγραφείτε.

Ευχαριστούμε που διαβάσατε μέχρι το τέλος!