Maxwellov demon ili kako zaobići drugi zakon termodinamike

Pozdrav dragi gosti i pretplatnici mog kanala. Danas želim razgovarati s vama o takozvanom Demonu Maxwella, koji je nastao tijekom rasprave o drugom zakonu termodinamike. Pa krenimo.

Ne samo u znanstveno-fantastičnim romanima možete pronaći neko neobično biće, već čak i naizgled izuzetno daleko od fikcije, ispada da je znanost poput fizike mjesto za neobična, pa čak i fantastična bića, poput demoni.

Možda najpoznatije takvo stvorenje bio je takozvani Maxwell Demon, kojeg je stvorio sam James Clerk Maxwell, tvorac Maxwellovog sustava jednadžbi. A on (demon) je izmišljen tijekom aktivne rasprave oko drugog zakona termodinamike.

Što kaže drugi zakon termodinamike?

Dakle, prema drugom zakonu dinamike, ima dovoljno formulacija, ali istodobno je fizičko značenje isto: sustav, izolirano, nesposoban za samostalni prijelaz iz manje uređenog stanja u uređenije država.

Na primjer, zamislimo određeni volumen plina u kojem se molekule kreću različitim brzinama. Prema drugom zakonu, plin se ne može samostalno podijeliti na dvije polovice, pri čemu će jedna sadržavati plin s molekulama male brzine, a druga plin s molekulama velike brzine.

Također, velik broj procesa klasificiran je kao reverzibilan. Tako se, na primjer, obična voda može zamrznuti, a nakon odmrzavanja može se ponovno dobiti tekuća voda.

Metal se može i magnetizirati, a zatim i magnetizirati. Postoje i nepovratni procesi, poput spaljivanja nečega. Ali svi ovi procesi, prema drugom zakonu termodinamike, dovest će ili do očuvanja ili do smanjenja stupnja uređenosti sustava.

Ova je situacija progonila i uznemirila znanstvene umove 19. stoljeća. I u to je vrijeme Maxwell formulirao svoje netrivijalno rješenje, koje je, kako se u tom trenutku činilo, omogućila graciozno zaobići drugi zakon termodinamike i spriječila neizbježno povećanje kaosa u zatvorenom sustav.

Postavio je takav misaoni eksperiment.

Eksperiment s mislima ili kako se pojavio Maxwellov demon

Bit Maxwellovog eksperimenta:

Zamislite posudu podijeljenu na dvije jednake polovice. Štoviše, u pregradi (koja dijeli spremnik na dva identična dijela i još uvijek je apsolutno nepropusna za plin) postoje mikroskopska vrata koja mogu istodobno propustiti samo jedan atom plina.

I istodobno, jedna polovina spremnika potpuno je napunjena plinom, a druga čistim vakuumom.

Sad mentalno zamislimo da je na ovim vratima kontrolne točke predstavljen mikro-čuvar koji promatra molekule plina na najnapredniji način.

A istodobno, on (stražar) otvara prolaz za brze molekule i pušta ih u drugu polovicu spremnika s vakuumom, a nedovoljno velike brzine ostavlja tamo gdje su bile.

Logično je da ako rad kontrolne točke sa stražarom traje značajno vrijeme, tada će se plin podijeliti u dva dijela. Jedan će imati ohlađeni plin s sporim molekulama, a drugi vrući plin s molekulama vrućeg plina.

Dakle, sustav će biti uređen u odnosu na početno stanje, a time se krši i drugi zakon termodinamike.

Štoviše, dobivenu temperaturnu neravnotežu sasvim je prihvatljivo koristiti za dobivanje posla (prema Cycle-u i Carnotovom teoremu).

A to znači ako se ozloglašeni čuvar ostavi na kontrolnoj točki neograničeno vrijeme, tada nećemo dobiti ništa više od vječnog pokretača.

Upravo su tog čuvara-kontrolora drugi znanstvenici nazivali Demonom od Maxwella. I činilo se da je u ovom eksperimentu sve uzeto u obzir, i oh, kako to ne škodi vječnom pokretaču. Ali postoji jedna značajna poteškoća.

U čemu je problem Demona Maxwella

Gotovo od početka, misaoni eksperiment je doveden u pitanje, i evo zašto:

Za beskrajni rad demonskog čuvara potrebna je opskrba energijom u obliku struje fotona koja je potrebna za osvjetljavanje i prosijavanje dolazećih molekula.

Također, razvrstavajući molekule, demon ne može a da ne stupi u interakciju s molekulama, što znači da će oni sami stjecati toplinsku energiju iz plina. To znači da će se entropija neizbježno povećati.

A ukupna entropija takvog sustava neće se ni na koji način smanjiti. To znači da nema kršenja drugog zakona.

Značajan protuargument protiv postojanja Maxwellovog demona došao je nakon rođenja kvantne mehanike.

Dakle, da bi pravilno razvrstao molekule plina koji dolaze, stražar mora točno izmjeriti njihovu brzinu, što je u principu nemoguće prema Heisenbergovoj nesigurnosti. Također, prema istom principu, ne može se utvrditi točan položaj molekule.

A to znači da će neke molekule, pred kojima će se vrata otvoriti, neizbježno propustiti.

Odnosno, Maxwellov demon u osnovi je makroskopski slon u kineskoj prodavaonici mikrosvijeta, koji živi po svojim pravilima.

A ako je on (čuvar demona) predstavljen u skladu sa zakonima kvantne mehanike, tada neće moći razvrstati molekule. Stoga nije opasno za drugi zakon termodinamike.

Tako je uništeno mitsko fizičko biće, Demon od Maxwella.

Ako vam se svidio materijal, ne zaboravite ga ocijeniti kako želite, a također se pretplatite.

Hvala što ste pročitali do kraja!