Apa itu Demon Maxwell?

Anonim

Syaitan Maxwell adalah entiti hipotetis yang ahli fizik James Clerk Maxwell ditahbiskan dalam salah satu percubaan pemikirannya sekitar 1871. Percubaan pemikiran ini terdiri daripada sebuah alat yang akan mengeluarkan kerja dari suatu sistem terpencil, walaupun terdapat dalam keseimbangan, pada suhu seragam tunggal.

Pada asasnya, entiti nosional Maxwell adalah semacam deus ex machina yang bertentangan atau telah bijak menyusun jalan-jalan apa yang paling asas dan tidak dapat dipertikaikan undang-undang alam semesta: undang-undang termodinamik ke-2. Secara semulajadi, pengertian untuk mengekstrak kerja atau tenaga dari apa-apa yang tidak dapat disangkal oleh rakan-rakannya - tentulah ini bermakna akhir penghasilan arang batu tanpa henti dengan enjin wap yang dahsyat? Makan tengahari percuma!

Tidak begitu asasnya sekarang?

Baiklah, tidak. Untuk memahami bagaimana ia berfungsi, kita mesti terlebih dahulu memahami apa yang diterapkan oleh undang-undang dan kenapa mencari jalan keluar menjadi rusuhan.

Sistem Terisolasi dan Hukum Termodinamik Kedua

(Foto Kredit: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Undang-undang ini mengawal arah aliran haba antara dua objek atau kawasan yang tidak sesuai dari segi suhu mereka. Ia menyatakan bahawa dua mayat suhu yang berbeza, apabila mengenali satu sama lain dan terpencil dari persekitaran mereka, akan berkembang ke keseimbangan termodinamika di mana kedua-dua badan mempunyai kira-kira suhu yang sama. Untuk itu, ia dapat secara logiknya menyimpulkan bahawa haba mesti mengalir dari objek suhu yang lebih tinggi ke objek suhu yang lebih rendah.

Walau bagaimanapun, haba boleh mengalir ke arah yang bertentangan, dengan syarat ia dibantu oleh sistem lain (sistem tidak terpencil).

Fikirkan pertukaran ini seperti pertukaran air antara dua baldi. Di sini, tanggapan suhu dapat digambarkan oleh jumlah air yang terdapat dalam baldi. Objek suhu yang lebih tinggi kemudian digambarkan oleh baldi dengan lebih banyak air manakala objek suhu yang lebih rendah oleh baldi dengan kurang air.

Sekiranya baldi kini bersatu dengan paip yang sempit, seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah, anda akan melihat bahawa air akan mengalir dari baldi yang mengandungi lebih banyak air ke dalam air bersebelahan sehingga paras air dengan pembukaan. Sekarang tiada air akan terus mengalir, ini menandakan permulaan keseimbangan. Perhatikan bahawa tetapan ini mewakili sistem terpencil.

Sekarang, air juga boleh mengalir ke arah yang lain: dari baldi yang miskin ke tempat yang penuh, tetapi hanya dapat dicapai dengan melakukan kerja pada bekas: sama dengan mencondongkannya ke suatu darjah sehingga air mengalir melalui terowongan sempit atau mengisi dengan lebihan air dari baldi ketiga, dalam kedua-dua kes yang melibatkan bantuan luaran. Tetapan ini mewakili sistem yang tidak terpencil.

Ini terbukti dalam peti sejuk atau penghawa dingin di mana angin sejuk diperoleh dengan mengorbankan kehangatan sistem lain - kondensor.

Undang-undang juga boleh ditakrifkan dari segi entropi, ukuran gangguan statistik atau kekangan sistem. Dari segi rawak, dalam sistem terpencil, entropi hanya akan meningkat. Sebaliknya, dalam sistem yang tidak terpencil, menyaksikan proses boleh balik, entropi adalah tetap. Walau bagaimanapun, sekali lagi, kestabilan itu datang dengan mengorbankan sekelilingnya - haba yang diasingkan itu menambahkan entropi kepada entropi sebagai keseluruhan Alam Semesta. Peningkatan akaun entropi untuk ketidakpatuhan semula proses semulajadi.

Oleh itu, pengekstrakan tenaga daripada sistem dalam keseimbangan adalah mustahil, tetapi bagaimana syaitan melakukannya?

Maxwell's Demon - The Loophole

Ini bertentangan dengan konvensyen bahawa zarah-zarah gas pada suhu tetap bergerak sekitar pada kelajuan yang sama. Walau bagaimanapun, kelajuan yang sama ini adalah kelajuan purata mereka, yang bermaksud bahawa terdapat zarah yang bergerak lebih cepat daripada itu dan zarah yang bergerak perlahan, menumpaskan satu sama lain kepada rata-rata.

Dengan proses yang mudah ini, maka semua zarah yang mempunyai tenaga yang tinggi digali di dalam satu ruangan. Syaitan telah menaikkan suhu satu ruangan berbanding yang lain. Suhu atau tekanan yang berlebihan ini boleh digunakan untuk kuasa turbin atau menolak omboh, ya, dari apa-apa yang tidak dapat dipertimbangkan . Untuk meletakkan cara ini lagi, setan telah menurun entropi tanpa apa-apa perbelanjaan kerja!

Maxwell memikirkan idea sensasi ini selepas dia dilarang memasuki sebuah kelab, kerana dia seorang nerd.

Adalah penting untuk menyedari bahawa iblis dalam cara berbahaya beliau telah bertentangan dengan undang-undang entropi, tetapi ia masih tidak melanggar undang-undang pemuliharaan tenaga. Ia hanya mengedarkan semula tenaga kinetik rawak untuk menjana perbezaan tekanan, supaya tenaga boleh dituai dari sistem yang awalnya diselaraskan! Subterfuge setan telah menipu sifat itu sendiri.

Bolehkah alat seperti ini benar-benar wujud?

Kadang-kadang saya rasa ayah peti sejuk saya terlalu keras kepadanya.

Begitu juga, jika setan adalah mesin yang sangat maju yang secara selektif mencari zarah-zarah tertentu, persoalan timbul dari mana ia mendapatkan tenaga untuk melakukan kerja? Dan walaupun ia berlaku, lanjutan mengenai kecekapan haba mesin masih menafikan kemungkinan penurunan entropi.

Demon atau mesin itu perlu memperoleh maklumat mengenai zarah, sebagai contoh, katakanlah mengesan foton. Dalam proses berinteraksi dengan mereka, jentera yang rumit seperti ini tidak dapat dielakkan membelanjakan tenaga dan menyerap beberapa haba itu sendiri, sehingga meningkatkan entropi bersih kembali ke nilai awal.

Intipati hujah adalah, dengan pengiraan, mana-mana setan mesti "menjana" lebih banyak entropi mengasingkan molekul daripada yang dapat dibasmi oleh prinsip-prinsip di mana ia berasaskan. Iaitu, ia akan mengambil lebih banyak kerja termodinamik untuk mengesan kelajuan molekul dan secara selektif membenarkan mereka melewati pembukaan antara ruang daripada jumlah tenaga yang diperolehi oleh perbezaan suhu yang disebabkan oleh proses itu.

Setelah semua dikatakan dan dilakukan, seseorang mesti menghargai kesabaran Maxwell. Walau bagaimanapun, jika ia bukan untuk undang-undang yang pertama, tiada siapa yang boleh menyelamatkan undang-undang kedua daripada tersiar secara terbuka. Tidak ada makan tengahari percuma selepas semua!