В края на 19 век британският физик Джеймс Максуел предложи мисловен експеримент, който привидно нарушава законите на термодинамиката. В резултат на това централният герой на този експеримент беше наречен демонът на Максуел. Нека се опитаме да разберем какво е забележителното в тази измислена същност.
Демонът на Максуел е хипотетична същност, предложена от Джеймс Клерк Максуел в един от неговите мисловни експерименти, вероятно през 1871г.
Какво общо имат демонът и Максуел? Като цяло същността, предложена от Максуел, е един вид противоречив бог от машината, би могло да се каже, след като е открил начин за заобикаляне на един от най-фундаменталните и безспорни закони на Вселената - вторият закон на термодинамиката. Първоначално колегите на учения не приеха сериозно мисловния експеримент и дори се объркаха, защото тази „същност“може да означава, че най-накрая можете да забравите за пилеенето на въглища и просто безкрайно да си намерите работа, всъщност от нищо.
И сега ще се опитаме да разберем защо демонът на Максуел е предизвикал недоумение сред светилата на науката в края на 19 век.
Демонът на Максуел - вратичка в ентропията
Мисловният експеримент на Максуел първоначално се споменава в кореспонденцията на учения с Питър Тейт около 1867 година. По-късно той е представен на обществеността в книгата на Максуел за термодинамиката, наречена Теория на топлината, публикувана през 1872 г.
Джеймс Клерк Максуел / колеж Грешам.
Промоционално видео:
Въпреки факта, че самият Максуел никога не е използвал думата „демон“, когато описва експеримента, неговият агент отваря вратата (в преградата в нашата бензинова кутия) между камерите като „ограничено същество“. Това същество е наречено за първи път „демон“от Уилям Томсън, известен като лорд Келвин, за да опише агента на Максуел в природата през 1874 година. Като оправдание той твърди, че иска да обозначи посредническия характер на същността по този начин и в никакъв случай няма да подчертае негативната конотация на самата дума.
И така, обратно към експеримента. Това е предимно затворена система. Предлаганият апарат се състои от обикновен кубоид, който съдържа произволен газ. Кубоидът е разделен на две секции с еднакъв размер с еднаква, еднаква температура. На стената, разделяща участъка, седи демон, който внимателно подбира произволно разпръснати частици, така че всички частици с висока кинетична енергия да се събират в една секция, докато останалите - с ниска кинетична енергия - остават в друга.
Можем да кажем, че този демон е метафора за устройство или машина, способна внимателно да анализира скоростта или кинетичната енергия на всяка частица във всеки контейнер. Въз основа на своя анализ адаптацията може да определи точно кои частици трябва, грубо казано, да запази за себе си и кои - да се отърве.
Вляво: две секции, пълни с газ. Вдясно: демонът на Максуел отваря и затваря вратата в преградата между отделните секции / Дж. Хиршфийлд.
Междувременно това противоречи на общоприетото мнение, че газовите частици при постоянна температура се движат със същата скорост. Въпреки това същата тази скорост е средната им скорост, което означава, че има частици, които се движат с по-висока скорост, а има частици, които се движат с по-ниска скорост, намалявайки всичко до средна стойност.
Чрез този процес - действията на демона Максуел - всички високоенергийни частици впоследствие се забиват в една секция. Демонът повиши температурата на едната част на кутията в сравнение с другата. Тази излишна температура или налягане може да се използва за захранване на турбината или буталото. Да, следва, че получаваме енергия буквално от нищо. С други думи, демонът е намалил ентропията, без да харчи никакви усилия.
Необходимо е обаче да се разбере, че хитрият демон използва своите трикове и в резултат успя да противоречи на закона за ентропията, но не наруши закона за запазване на енергията. Той просто преразпредели случайната кинетична енергия, за да създаде диференциал на налягането, достатъчен да черпи енергия от първоначално балансирана система. Хитростта на демона измамила самата природа!
Може ли да съществува такъв апарат?
Както и да е, такъв апарат не може да бъде създаден в действителност. Природата не се заблуждава лесно. Разбира се, хитрият и умен демон успя да избегне потискащите санкции на втория закон на термодинамиката, но не може да се измъкне от всевиждащото око на първия закон на термодинамиката.
Според първия закон на термодинамиката никоя машина не може да функционира без източник на топлина и в процеса на работа може да я абсорбира частично. Или производителността на процеса никога няма да достигне 100 процента. Машините не само се нуждаят от стимула под формата на топлина, но и трябва да го абсорбират, като по този начин повишават собствената си температура.
Превръщането на топлинната енергия в механична в парните машини не е абсолютно. Част от топлината се абсорбира от самия двигател, намалявайки общата производителност и увеличавайки ентропията около него.
Ако демонът е високотехнологична машина, която избирателно проследява определени частици, възниква въпросът: откъде получава енергия, за да си върши работата? Дори ако той някак успее да направи това, разширяването във връзка с топлинните характеристики на машината все още отрича възможността за намаляване на ентропията.
Преходът на затворена система от ниска ентропия към висока / Сократова.
Демон или машина ще трябва да получи информация за частиците. Вземете например фотони. В процеса на взаимодействие с тях, сложен апарат като демона на Максуел неизбежно ще изразходва енергия и ще абсорбира част от самата топлина, увеличавайки общата ентропия и връщайки я към първоначалната си стойност.
Смисълът на аргумента е, че според изчисленията всеки демон неизбежно ще „генерира“повече ентропия чрез отделяне на молекули, отколкото някога може да я „унищожи“- това е в съответствие с принципите, на които се основава. С други думи, ще е необходима много повече термодинамична работа, за да се определи скоростта на молекулите и да се изберат да преминат през вратата между отделните секции, отколкото количеството енергия, получена от температурната разлика, възникнала след извършената работа.
Както и да е, трябва да се отбележи, че Максуел беше много хитър. Ако обаче не беше първият закон на термодинамиката, нищо нямаше да спаси втория закон от публичния срам.
Владимир Гилен
