Krajem 19. stoljeća, britanski fizičar James Maxwell predložio je misaoni eksperiment koji naizgled krši zakone termodinamike. Kao rezultat toga, središnji lik ovog eksperimenta nazvan je Maxwellov demon. Pokušajmo shvatiti što je izvanredno u ovom izmišljenom entitetu.
Maxwellov demon je hipotetska cjelina koju je predložio James Clerk Maxwell u jednom od svojih misaonih eksperimenata, vjerojatno 1871. godine.
Kakve veze demon i Maxwell imaju s tim? Općenito, suština koju je Maxwell predložio vrsta je proturječnog boga iz stroja, moglo bi se reći, koji je otkrio način da se zaobiđe jedan od najtemeljnijih i najspornijih zakona Svemira - drugi zakon termodinamike. U početku znanstvenikovi kolege nisu ozbiljno shvatili misaoni eksperiment i čak su bili zbunjeni, jer bi ta "bit" mogla značiti da napokon možete zaboraviti na rasipanje ugljena i jednostavno beskrajno dobiti posao, zapravo iz ničega.
A sada ćemo pokušati shvatiti zašto je Maxwellov demon krajem 19. stoljeća izazvao zbunjenost među svjetiljkama znanosti.
Maxwellov demon - rupa u entropiji
Maxwellov misaoni eksperiment izvorno se spominje u znanstvenoj prepisci s Peterom Tateom oko 1867. godine. Kasnije je predstavljen javnosti u Maxwellovoj knjizi o termodinamici pod nazivom Teorija topline, objavljenoj 1872. godine.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Promotivni video:
Unatoč činjenici da Maxwell sam pri opisivanju pokusa nikada nije upotrijebio riječ "demon", njegov je agent otvorio vrata (u pregradi u našoj plinskoj kutiji) između komora kao "ograničeno biće". Ovaj entitet prvi je nazvao "demon" William Thomson, poznat kao Lord Kelvin, da bi opisao Maxwellovog agenta u Prirodi 1874. godine. Kao opravdanje, ustvrdio je da na ovaj način želi odrediti posredničku prirodu suštine i ni u kojem slučaju neće naglasiti negativnu konotaciju same riječi.
Vratimo se na eksperiment. Ovo je prije svega zatvoreni sustav. Predloženi uređaj sastoji se od jednostavnog kuboida koji sadrži proizvoljni plin. Kuboid je podijeljen u dva dijela jednake veličine s jednakom, ujednačenom temperaturom. Na zidu koji dijeli odjeljak, demon sjedi, pažljivo odabirući nasumično raspršene čestice tako da se sve čestice s visokom kinetičkom energijom sakupljaju u jedan odjeljak, dok ostatak - s niskom kinetičkom energijom - ostaje u drugom.
Možemo reći da je ovaj demon metafora za uređaj ili stroj sposoban pažljivo analizirati brzinu ili kinetičku energiju svake čestice u bilo kojem spremniku. Na temelju svoje analize, prilagodba može točno odrediti koje bi čestice, grubo govoreći, trebala zadržati za sebe, a kojih se - riješiti.
Lijevo: dva odjeljka ispunjena plinom. Desno: Maxwellov demon otvara i zatvara vrata u pregradi između odjeljaka / J. Hirshfield.
U međuvremenu, to je u suprotnosti s općeprihvaćenim mišljenjem da se čestice plina pri konstantnoj temperaturi kreću istom brzinom. Ipak, ta ista brzina je njihova prosječna brzina, što znači da postoje čestice koje se kreću većom brzinom, a postoje čestice koje se kreću nižom brzinom, smanjujući sve na prosječnu vrijednost.
Kroz ovaj proces - djelovanja demona Maxwella - sve se visokoenergetske čestice potom odvezu u jedan odjeljak. Demon je povisio temperaturu jednog dijela kutije u odnosu na drugi. Prekomjerna temperatura ili tlak mogu se koristiti za pogon turbine ili klipa. Da, proizlazi da energiju dobivamo doslovno ni iz čega. Drugim riječima, demon je smanjio entropiju bez ikakvog napora.
Potrebno je, međutim, shvatiti da se lukavi demon koristio svojim trikovima i kao rezultat toga mogao je proturječiti zakonu entropije, ali nije kršio zakon očuvanja energije. Jednostavno je preraspodijelio slučajnu kinetičku energiju kako bi stvorio razliku tlaka dovoljnu za crtanje energije iz prvotno uravnoteženog sustava. Demonova lukava prevara sama narav!
Može li takav aparat postojati?
Bilo kako bilo, takav se aparat ne može stvoriti u stvarnosti. Prirodu nije lako prevariti. Naravno, lukavi i pametni demon uspio je izbjeći ugnjetavačke sankcije drugog zakona termodinamike, ali ne može se maknuti od svevidljivog oka prvog zakona termodinamike.
Prema prvom zakonu termodinamike, niti jedan stroj ne može funkcionirati bez izvora topline, a u procesu rada može ga i djelomično apsorbirati. Ili, izvedba procesa nikada neće doseći 100 posto. Strojevi ne samo da trebaju poticaj u obliku topline, već ga trebaju i apsorbirati, podižući tako vlastitu temperaturu.
Pretvorba toplinske energije u mehaničku u parnim strojevima nije apsolutna. Dio topline apsorbira sam motor, smanjujući ukupne performanse i povećavajući entropiju koja ga okružuje.
Ako je demon visokotehnološki stroj koji selektivno prati određene čestice, postavlja se pitanje: odakle mu energija da radi svoj posao? Čak i ako to nekako uspije, širenje u odnosu na toplinske performanse stroja i dalje poriče mogućnost smanjenja entropije.
Prijelaz zatvorenog sustava iz niske entropije u visoku / sokratsku.
Demon ili stroj morali bi dobiti informacije o česticama. Uzmimo na primjer fotone. U procesu interakcije s njima, složeni aparat poput Maxwellovog demona neizbježno će trošiti energiju i sam apsorbirati dio topline, povećavajući ukupnu entropiju i vraćajući je na izvornu vrijednost.
Poanta argumenta je u tome da će, prema izračunima, bilo koji demon neizbježno "generirati" više entropije razdvajanjem molekula nego što je uopće može "uništiti" - to je u skladu s načelima na kojima se temelji. Drugim riječima, bilo bi potrebno puno više termodinamičkog rada da bi se utvrdila brzina molekula i odabralo ih da prolaze kroz vrata između odjeljaka, nego količina energije koja se stekla razlikom temperature koja je nastala nakon obavljenog posla.
Bilo kako bilo, valja napomenuti da je Maxwell bio vrlo lukav. Međutim, da nije bilo prvog zakona termodinamike, drugi zakon ništa ne bi spasilo od javne sramote.
Vladimir Guillen
