Maksvelo demonas arba kaip apeiti antrąjį termodinamikos dėsnį

Sveiki, mieli svečiai ir mano kanalo abonentai. Šiandien noriu su jumis pakalbėti apie vadinamąjį Maksvelo demoną, kuris buvo sukurtas aptariant antrąjį termodinamikos dėsnį. Taigi pradėkime.

Ne tik mokslinės fantastikos romanuose galite rasti kokį nors neįprastą padarą, bet ir iš pažiūros nepaprastai toli gražu ne grožinė literatūra, toks mokslas kaip fizika, pasirodo, turi vietą neįprastoms ir net fantastiškoms būtybėms, tokioms kaip demonai.

Bene garsiausias toks padaras buvo vadinamasis Maksvelo demonas, kurį sukūrė pats Jamesas Clerkas Maxwellas, Maksvelo lygčių sistemos kūrėjas. Ir jis (demonas) buvo išrastas vykstant aktyvioms diskusijoms apie antrąjį termodinamikos dėsnį.

Ką sako antrasis termodinamikos dėsnis?

Taigi, remiantis antruoju dinamikos dėsniu, jame yra pakankamai formuluočių, tačiau tuo pačiu ir fizinė prasmė yra ta pati: sistema, atskirai negalėdamas savarankiškai pereiti iš mažiau sutvarkytos būsenos į labiau sutvarkytą valstija.

Pavyzdžiui, įsivaizduokime tam tikrą dujų kiekį, kur molekulės juda skirtingu greičiu. Pagal antrąjį dėsnį, dujos negali savarankiškai padalyti į dvi puses, kur vienoje bus dujos su mažo greičio molekulėmis, kitoje - dujos su didelio greičio molekulėmis.

Be to, daugelis procesų priskiriami grįžtamiesiems. Taigi, pavyzdžiui, įprastą vandenį galima užšaldyti, o atitirpinus vėl galite gauti skysto vandens.

Metalas gali būti ir įmagnetinamas, ir tada išmagnetinamas. Taip pat yra negrįžtamų procesų, tokių kaip kažko sudeginimas. Bet visi šie procesai, remiantis antruoju termodinamikos dėsniu, lems arba sistemos išsaugojimą, arba sumažėjimą.

Ši situacija XIX amžiaus mokslinį protą persekiojo ir sutrikdė. Ir tuo metu Maxwellas suformulavo savo nereikšmingą sprendimą, kuris, kaip atrodė tą akimirką, leido grakščiai apeiti antrąjį termodinamikos dėsnį ir užkirsti kelią neišvengiamam chaoso padidėjimui uždaroje erdvėje sistema.

Jis surengė tokį minties eksperimentą.

Minties eksperimentas arba kaip pasirodė Maksvelo „Demonas“

Maxwello eksperimento esmė:

Įsivaizduokite konteinerį, padalytą į dvi lygias puses. Be to, pertvaroje (tai dalija konteinerį į dvi identiškas dalis ir vis tiek yra absoliučiai nelaidi dujoms) yra mikroskopinės skylės-durys, kurios vienu metu gali praleisti tik vieną dujų atomą.

Tuo pačiu metu viena konteinerio pusė yra visiškai užpildyta dujomis, o antroji - grynu vakuumu.

Dabar mintyse įsivaizduokime, kad prie šių kontrolinių punktų durų pristatomas sarginis stebėtojas, tyčiausiai stebėdamas dujų molekules.

Tuo pačiu metu jis (budėtojas) atidaro greitųjų molekulių praėjimą ir vakuumu įleidžia juos į antrąją konteinerio pusę, o nepakankamai greitaeigius palieka ten, kur ir buvo.

Logiška, kad jei patikros punkto darbas su budėtoju truks daug laiko, tada dujos bus padalintos į dvi dalis. Viename bus atvėsintos dujos su lėtomis molekulėmis, kitoje - karštos dujos su karštomis dujomis.

Taigi sistema bus sutvarkyta atsižvelgiant į pradinę būseną, taigi pažeidžiamas antrasis termodinamikos dėsnis.

Be to, gautą temperatūros disbalansą yra gana priimtina naudoti norint gauti darbą (Pagal ciklo ir Carnot teoremą).

Tai reiškia, kad jei pagarsėjęs budėtojas bus paliktas kontrolės punkte neribotam laikui, tai mes gausime tik amžinąjį judesio aparatą.

Būtent šį budėtoją-kontrolierių kiti mokslininkai pavadino Maksvelo demonu. Atrodė, kad šiame eksperimente į viską buvo atsižvelgta, o, kaip tai nepakenkia amžinam judesio aparatui. Tačiau yra vienas reikšmingas laimikis.

Kas yra Demono Maxwello problema

Beveik nuo pat pradžių buvo suabejota minties eksperimentu ir štai kodėl:

Nesibaigiančiam demono budėtojo darbui reikalingas energijos tiekimas fotonų srauto pavidalu, kuris yra būtinas norint apšviesti ir atsijoti atvykstančias molekules.

Be to, rūšiuodamas molekules, demonas negali sąveikauti su molekulėmis, o tai reiškia, kad jie patys įgaus šiluminę energiją iš dujų. Tai reiškia, kad entropija neišvengiamai padidės.

Ir bendra tokios sistemos entropija niekaip nesumažės. Tai reiškia, kad antrojo įstatymo nepažeidžiama.

Svarbus kontrargumentas prieš Maxwello „Demono“ egzistavimą atsirado gimus kvantinei mechanikai.

Taigi, norėdamas teisingai surūšiuoti skriejančias dujų molekules, budėtojas turi tiksliai išmatuoti jų greitį, o tai iš esmės neįmanoma pagal Heisenbergo neapibrėžtumą. Be to, pagal tą patį principą negalima nustatyti tikslios molekulės padėties.

Tai reiškia, kad neišvengiamai kai kurios molekulės, prieš kurias bus atidarytos durys, jos praleis.

Tai yra, Maxwello demonas iš esmės yra makroskopinis dramblys mikropasaulio porceliano parduotuvėje, gyvenantis pagal savo taisykles.

Ir jei jis (stebėtojas demonas) bus pristatytas pagal kvantinės mechanikos dėsnius, jis negalės rūšiuoti molekulių. Todėl antram termodinamikos dėsniui tai nėra pavojinga.

Taip buvo sunaikintas mitinis fizikos padaras - Maksvelo „Demonas“.

Jei jums patiko medžiaga, nepamirškite ją įvertinti taip, kaip norite, taip pat užsiprenumeruokite.

Ačiū, kad skaitėte iki galo!