19. gadsimta beigās britu fiziķis Džeimss Maksvels ierosināja domu eksperimentu, kas šķietami pārkāpj termodinamikas likumus. Rezultātā šī eksperimenta centrālais varonis tika nosaukts par Maksvela dēmonu. Mēģināsim noskaidrot, kas ir ievērojams šajā izdomātajā vienībā.
Maksvela dēmons ir hipotētiska vienība, kuru ierosināja Džeimss Klerks Maksvels vienā no viņa domāšanas eksperimentiem, domājams, 1871. gadā.
Kāds sakars ar dēmonu un Maksvelu? Kopumā Maksvela piedāvātā būtība ir sava veida pretrunīgs mašīnas dievs, varētu teikt, atklājis veidu, kā apiet vienu no Visuma fundamentālākajiem un neapstrīdamākajiem likumiem - otro termodinamikas likumu. Sākotnēji zinātnieka kolēģi neuztvēra domu eksperimentu nopietni un bija pat apjukuši, jo šī “būtība” varēja nozīmēt, ka beidzot var aizmirst par ogļu izšķērdēšanu un vienkārši bezgalīgi iegūt darbu faktiski no nekā.
Un tagad mēs centīsimies noskaidrot, kāpēc Maksvela dēmons 19. gadsimta beigās izraisīja neizpratni zinātnes gaismekļos.
Maksvela dēmons - nepilnība entropijā
Maksvela domu eksperiments sākotnēji tika pieminēts zinātnieka sarakstē ar Pīteru Teitu ap 1867. gadu. Vēlāk tas tika iepazīstināts sabiedrībā ar Maksvela grāmatu par termodinamiku ar nosaukumu Siltuma teorija, kas tika publicēta 1872. gadā.
Džeimsa Klerka Maksvela / Grešema koledža.
Reklāmas video:
Neskatoties uz to, ka pats Maksvels, aprakstot eksperimentu, nekad nav lietojis vārdu "dēmons", viņa aģents atvēra durvis (mūsu gāzes kastes nodalījumā) starp kamerām kā "ierobežotu būtni". Šo vienību pirmais par dēmonu nosauca Viljams Tomsons, pazīstams kā lords Kelvins, lai aprakstītu Maksvela aģentu Dabā 1874. gadā. Kā pamatojumu viņš apgalvoja, ka viņš šādā veidā vēlas apzīmēt būtības starpniecības raksturu un nekādā gadījumā negrasās uzsvērt paša vārda negatīvo nozīmi.
Tātad atgriezīsimies pie eksperimenta. Tā galvenokārt ir slēgta sistēma. Piedāvātais aparāts sastāv no vienkārša taisnstūra, kas satur patvaļīgu gāzi. Kuboids ir sadalīts divās vienāda lieluma sekcijās ar vienādu un vienādu temperatūru. Uz sienas, kas dala sadaļu, sēž dēmons, uzmanīgi izvēloties nejauši izkliedētas daļiņas, lai visas daļiņas ar augstu kinētisko enerģiju tiktu savāktas vienā sekcijā, bet pārējās - ar zemu kinētisko enerģiju - paliktu citā.
Mēs varam teikt, ka šis dēmons ir ierīces vai mašīnas metafora, kas spēj rūpīgi analizēt katras daļiņas ātrumu vai kinētisko enerģiju jebkurā traukā. Pamatojoties uz tās analīzi, adaptācija var precīzi noteikt, kuras daļiņas tai, rupji runājot, vajadzētu paturēt sev un no kurām - atbrīvoties.
Pa kreisi: divas sekcijas piepildītas ar gāzi. Pa labi: Maksvela dēmons atver un aizver durvis nodalījumā starp sekcijām / J. Hirshfield.
Tikmēr tas ir pretrunā ar vispārpieņemto viedokli, ka gāzes daļiņas nemainīgā temperatūrā pārvietojas ar tādu pašu ātrumu. Neskatoties uz to, šis pats ātrums ir viņu vidējais ātrums, kas nozīmē, ka ir daļiņas, kas pārvietojas ar lielāku ātrumu, un ir daļiņas, kas pārvietojas ar mazāku ātrumu, visu samazinot līdz vidējai vērtībai.
Izmantojot šo procesu - dēmona Maksvela darbības - visas augstas enerģijas daļiņas pēc tam tiek virzītas vienā sekcijā. Dēmons paaugstināja vienas kastes daļas temperatūru, salīdzinot ar otru. Šo pārmērīgo temperatūru vai spiedienu var izmantot turbīnas vai virzuļa darbināšanai. Jā, no tā izriet, ka enerģiju mēs iegūstam no burtiski nekā. Citiem vārdiem sakot, dēmons ir samazinājis entropiju, netērējot nekādas pūles.
Tomēr ir jāsaprot, ka viltīgais dēmons izmantoja savus trikus un rezultātā varēja pretrunā ar entropijas likumu, taču viņš nepārkāpa enerģijas saglabāšanas likumu. Viņš vienkārši pārdalīja nejaušu kinētisko enerģiju, lai izveidotu pietiekamu spiediena starpību enerģijas iegūšanai no sākotnēji līdzsvarotās sistēmas. Dēmona viltīgā maldināja pašu dabu!
Vai šāds aparāts var pastāvēt?
Lai kā arī būtu, šādu aparātu patiesībā izveidot nevar. Daba nav viegli maldināta. Protams, viltīgais un gudrais dēmons spēja izvairīties no otrā termodinamikas likuma nospiedošajām sankcijām, taču viņš nevar aizmukt no pirmā termodinamikas likuma visu redzošās acs.
Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu neviena mašīna nav spējīga darboties bez siltuma avota, un darba procesā to var arī daļēji absorbēt. Vai arī procesa veiktspēja nekad nesasniegs 100 procentus. Mašīnām ir nepieciešams stimuls ne tikai siltuma veidā, bet arī tas ir jāuzņem, tādējādi paaugstinot savu temperatūru.
Siltuma enerģijas pārvēršana mehāniskajā enerģijā tvaika dzinējos nav absolūta. Daļu siltuma absorbē pats dzinējs, samazinot kopējo veiktspēju un palielinot ap to esošo entropiju.
Ja dēmons ir augsto tehnoloģiju mašīna, kas selektīvi izseko noteiktas daļiņas, rodas jautājums: no kurienes tā iegūst enerģiju, lai veiktu savu darbu? Pat ja viņam kaut kā izdodas to izdarīt, paplašināšanās attiecībā pret iekārtas siltuma rādītājiem tomēr noliedz entropijas samazināšanās iespēju.
Slēgtas sistēmas pāreja no zemas uz augstu entropiju / Sokrātiska.
Dēmonam vai mašīnai būtu jāiegūst informācija par daļiņām. Piemēram, ņemiet fotonus. Mijiedarbojoties ar viņiem, tāds sarežģīts aparāts kā Maksvela dēmons neizbēgami tērēs enerģiju un absorbēs daļu siltuma, palielinot kopējo entropiju un atgriežot to sākotnējā vērtībā.
Argumenta būtība ir tāda, ka saskaņā ar aprēķiniem jebkurš dēmons, atdalot molekulas, neizbēgami "ģenerēs" vairāk entropijas, nekā viņš to jebkad var "iznīcināt" - tas atbilst principiem, uz kuriem tas balstās. Citiem vārdiem sakot, lai noteiktu molekulu ātrumu un izvēlētos tās iziet cauri durvīm starp sekcijām, būtu vajadzīgs daudz vairāk termodinamiska darba nekā enerģijas daudzums, kas iegūts no temperatūras starpības, kas radās pēc paveiktā darba.
Lai kā arī būtu, jāatzīmē, ka Maksvels bija ļoti viltīgs. Tomēr, ja nebūtu pirmā termodinamikas likuma, nekas nebūtu glābis otro likumu no sabiedrības kauna.
Vladimirs Gilens