Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Здравствуйте уважаемые гости и подписчики моего сайта. Сегодня я хочу поговорить с вами о так называемом Демоне Максвелла, который был порожден в процессе обсуждения второго закона термодинамики. Итак, давайте начнем.

Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Не только в фантастических романах можно встретить какое-нибудь необычное существо, но даже в, казалось бы, крайне далекой от фантастики науке как физика оказывается есть место необычным и даже фантастическим тварям, таким как демоны.

Пожалуй, самым известным таким существом стал так называемый Демон Максвелла, который создал сам Джеймс Клерк Максвелл, создатель системы уравнений Максвелла. И был он (демон) придуман во время активных дебатов вокруг второго начала термодинамики.

О чем говорит второй закон термодинамики

Итак, по второму закону динамики, у оного достаточно формулировок, но при этом физический смысл един: система, находящаяся в изоляции, не способна самостоятельно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное состояние.

Например, представим себе некий объем газа, где молекулы перемещаются с разными скоростями. Согласно второму закону, газ не способен самостоятельно поделиться на две половины, где в одной будет газ с низко скоростными молекулами, а вторая часть газ с молекулами с высокой скоростью.

Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Так же большое количество процессов состоят в категории обратимых. Так, например, обычную воду можно заморозить, а разморозив вновь получить жидкую воду.

Металл можно как намагнитить, так потом провести процесс размагничивания. Также существуют необратимые процессы, например сгорание чего-либо. Но все эти процессы, согласно второму закону термодинамики, приведут или к сохранению, или же уменьшению степени упорядоченности системы.

Эта ситуация не давала покоя и беспокоила научные умы 19-го столетия. И именно в это время Максвелл сформулировал свое нетривиальное решение, которое, как казалось на тот момент, позволяло изящно обойти второй закон термодинамики и предотвратить неминуемое возрастание хаоса в замкнутой системе.

Им был поставлен такой мысленный эксперимент.

Мысленный эксперимент или как появился Демон Максвелла

Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Представьте себе некий контейнер, разделенный на две равные половины. Причем в перегородке (оная делит емкость на две одинаковые части и еще абсолютно непроницаемая для газа) есть микроскопическое отверстие-дверца, которая за раз может пропустить лишь один атом газа.

И при этом одна половина контейнера полностью заполнена газом, а во второй чистый вакуум.

Теперь мысленно вообразим, что к этому пропускному пункту-дверце представлен микро-вахтер, самым пристальным образом наблюдающий за молекулами газа.

И при этом быстрым молекулам он (вахтер) приоткрывает проход и пропускает во вторую половину контейнера с вакуумом, а недостаточно скоростные оставляет там, где они и были.

Логично, что если работа пропускного пункта с вахтером продлится существенное время, то газ поделится на две части. В одной будет охлажденный газ с медленными молекулами, а в другой будет горячий газ с горячими молекулами газа.

Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Таким образом, система упорядочится по отношению с изначальным состоянием, и тем самым нарушается второй закон термодинамики.

Более того полученный температурный дисбаланс вполне допустимо применять для получения работы (Согласно Циклу и теореме Карно).

А это значит если пресловутого вахтера оставить на пропускном пункте на неограниченное время, то мы получим не что иное, как вечный двигатель.

Именно этого вахтера-контролера и прозвали другие ученые Демоном Максвелла. И казалось в этом эксперименте все учтено, да и вечный двигатель ох как не повредит. Но есть одна существенная загвоздка.

В чем проблема Демона Максвелла

Практически с самого начала мысленный эксперимент был подставлен под сомнение и вот почему:

Для бесконечной работы демона-вахтера потребуется энергопитание в форме потока фотонов, нужные для подсветки и просеивания прилетающих молекул.

Так же, сортируя молекулы, демон не сможет не вступать во взаимодействие с молекулами, что значит они сами будут приобретать тепловую энергию от газа. А значит неизбежно увеличивать энтропию.

И суммарная энтропия такой системы никоим образом не уменьшится. И значит, никакого нарушения второго закона нет.

Существенный контраргумент против существования Демона Максвелла, прозвучал после зарождения квантовой механики.

Демон Максвелла или как обойти второй закон термодинамики

Так вот, чтобы правильно отсортировать подлетающие молекулы газа, вахтеру нужно точно измерить их скорость, что в принципе невозможно согласно неопределенности Гейзенберга. Еще, согласно этому же принципу, точное положение молекулы невозможно установить.

А это значит, что неминуемо часть молекул, перед которыми будет распахнута дверь, с ней разминутся.

То есть демон Максвелла по своей сути макроскопический слон в посудной лавке мира микромира, живущий по своим правилам.

И если его (вахтера-демона) представить в соответствии с законами квантовой механики, то он будет неспособен сортировать молекулы. Следовательно, не опасен второму закону термодинамики.

Вот так было уничтожено мифическое существо физики – Демон Максвелла.

Если вам понравился материал, то не забудьте его оценить по своему желанию, а также подписаться.

Спасибо, что дочитали до конца!