19. sajandi lõpus pakkus Briti füüsik James Maxwell mõttekatse, mis näiliselt rikub termodünaamika seadusi. Selle tulemusena nimetati selle eksperimendi keskset tegelast Maxwelli deemoniks. Proovime välja mõelda, mis on selle väljamõeldud üksuse juures tähelepanuväärne.
Maxwelli deemon on hüpoteetiline üksus, mille James Clerk Maxwell pakkus välja ühes oma mõttekatses, arvatavasti 1871. aastal.
Mida on deemonil ja Maxwellil sellega pistmist? Üldiselt on Maxwelli välja pakutud olemus mingi vastuoluline jumal masinast, võib öelda, olles avastanud viisi, kuidas mööda hiilida Universumi ühest kõige põhilisemast ja vaieldamatust seadusest - termodünaamika teisest seadusest. Esialgu ei võtnud teadlase kolleegid mõttekatset tõsiselt ja olid isegi segaduses, sest see “olemus” võib tähendada, et võite lõpuks unustada söe raiskamise ja lihtsalt lõputult tööle saada, tegelikult mitte millestki.
Ja nüüd proovime välja mõelda, miks Maxwelli deemon 19. sajandi lõpus teaduse valgustites hämmeldust tekitas.
Maxwelli deemon - entroopia lünk
Maxwelli mõttekatse mainiti algselt teadlase kirjavahetuses Peter Tate'iga 1867. aasta paiku. Hiljem tutvustati seda avalikkusele Maxwelli 1872. aastal ilmunud termodünaamikaraamatus "Soojuseteooria".
James Clerk Maxwell / Greshami kolledž.
Reklaamvideo:
Hoolimata asjaolust, et Maxwell ise ei kasutanud katse kirjeldamisel kunagi sõna "deemon", avas tema agent kambrite vahelise ukse (meie gaasiboksi vaheseinas) "piiratud olendina". Esimesena nimetas seda üksust "deemoniks" William Thomson, tuntud kui Lord Kelvin, et kirjeldada agent Maxwelli looduses aastal 1874. Põhjendusena väitis ta, et soovib sel viisil tähendada olemuse vahendavat olemust ega kavatse mingil juhul rõhutada sõna enda negatiivset varjundit.
Nii et katse juurde tagasi. See on peamiselt suletud süsteem. Kavandatud seade koosneb lihtsast risttahukast, mis sisaldab suvalist gaasi. Ruudukujuline ristkülik jaguneb kaheks võrdse suurusega osaks, millel on sama ühtlane temperatuur. Lõiku jagaval seinal istub deemon, valides hoolikalt juhuslikult hajutatud osakesed, nii et kõik suure kineetilise energiaga osakesed kogunevad ühte sektsiooni, ülejäänud aga - väikese kineetilise energiaga - jäävad teise.
Võime öelda, et see deemon on seadme või masina metafoor, mis on võimeline hoolikalt analüüsima iga konteineri iga osakese kiirust või kineetilist energiat. Selle analüüsi põhjal saab kohanemine täpselt kindlaks määrata, milliseid osakesi see peaks jämedalt öeldes enda jaoks hoidma ja millistest - lahti saama.
Vasakul: kaks gaasiga täidetud osa. Paremal: Maxwelli deemon avab ja sulgeb ukse sektsioonide vahelises vaheseinas / J. Hirshfield.
Vahepeal on see vastuolus üldtunnustatud arvamusega, et püsiva temperatuuri gaasiosakesed liiguvad sama kiirusega. Sellest hoolimata on see sama kiirus nende keskmine kiirus, mis tähendab, et on osakesi, mis liiguvad suurema kiirusega, ja on osakesi, mis liiguvad väiksema kiirusega, vähendades kõike keskmise väärtuseni.
Selle protsessi - deemoni Maxwelli tegevuse - kaudu juhitakse kõik suure energiaga osakesed seejärel ühte sektsiooni. Deemon tõstis kasti ühe osa temperatuuri võrreldes teisega. Seda liigset temperatuuri või rõhku saab kasutada turbiini või kolvi käitamiseks. Jah, sellest järeldub, et energiat saame sõna otseses mõttes mitte millestki. Teisisõnu, deemon on entroopiat vähendanud, ilma et oleks vaja mingeid jõupingutusi teha.
Tuleb siiski mõista, et kaval deemon kasutas oma nippe ja suutis seetõttu olla entroopia seadusega vastuolus, kuid ta ei rikkunud energia jäävuse seadust. Ta lihtsalt jagas juhusliku kineetilise energia ümber, et luua rõhu erinevus, mis on piisav algselt tasakaalustatud süsteemist energia saamiseks. Deemoni kaval petis loodust ennast!
Kas selline aparaat saab olemas olla?
Olgu kuidas on, aga sellist aparaati ei saa reaalsuses luua. Loodust ei saa lihtsalt petta. Muidugi suutis kaval ja nutikas deemon vältida termodünaamika teise seaduse rõhuvaid sanktsioone, kuid ta ei saa eemale termodünaamika esimese seaduse kõikenägevast silmast.
Esimese termodünaamikaseaduse kohaselt ei ole ükski masin võimeline töötama ilma soojusallikata ja töö käigus suudab see ka osaliselt neelata. Või ei jõua protsessi jõudlus kunagi 100 protsendini. Masinad ei vaja stiimulit mitte ainult soojuse kujul, vaid ka seda neelata, tõstes seeläbi oma temperatuuri.
Soojusenergia muundamine aurumasinate mehaaniliseks energiaks ei ole absoluutne. Osa soojusest neeldub mootor ise, vähendades üldist jõudlust ja suurendades seda ümbritsevat entroopiat.
Kui deemon on kõrgtehnoloogiline masin, mis jälgib valikuliselt teatud osakesi, tekib küsimus: kust ta saab energiat oma töö tegemiseks? Isegi kui tal see kuidagi õnnestub, eitab laienemine masina soojusliku toimivuse suhtes siiski entroopia vähenemise võimalust.
Suletud süsteemi üleminek madalalt entroopiale / kõrge.
Deemon või masin peaks saama teavet osakeste kohta. Võtame näiteks footonid. Nendega suhtlemise käigus kulutab selline keeruline aparaat nagu Maxwelli deemon paratamatult energiat ja neelab osa soojusest ise, suurendades kogu entroopiat ja viies selle tagasi oma algsele väärtusele.
Argumendi mõte on selles, et arvutuste kohaselt "genereerib" iga deemon molekulide eraldamisega paratamatult rohkem entroopiat, kui ta suudab selle kunagi "hävitada" - see on kooskõlas põhimõtetega, millel see põhineb. Teisisõnu, molekulide kiiruse kindlakstegemiseks ja sektsioonidevahelise ukse läbimiseks valimiseks kuluks palju rohkem termodünaamilist tööd kui pärast tehtud tööd tekkinud temperatuurierinevusest saadud energiahulk.
Olgu see kuidas tahes, tuleb märkida, et Maxwell oli väga kaval. Ent kui mitte esimene termodünaamikaseadus, ei oleks miski teist seadust avaliku häbi eest päästnud.
Vladimir Guillen
