Vad är Maxwells demon?

What is entropy? - Jeff Phillips (Juli 2019).

Anonim

Maxwells demon är en hypotetisk enhet som fysiker James Clerk Maxwell framkallade i ett av hans tänkande experiment kring 1871. Tankförsöket bestod av en apparat som skulle extrahera arbete från ett isolerat system, trots att det existerade i jämvikt vid en enda jämn temperatur.

I grund och botten är Maxwells teoretiska enhet en slags deus ex machina som motsäger eller har smart utformat en väg kring vad som är universums mest grundläggande och oförenliga lag: den andra lagen om termodynamik. Naturligtvis förde inte begreppet utvinning av arbete eller energi från sina kollegor förvisso - det kan säkert innebära att man slår ut och slår ut kol till en ravenös ångmaskin? En gratis lunch!

Inte så grundläggande nu är det?

Tja, inte riktigt. För att förstå hur det fungerar måste vi först förstå vad lagen innebär och varför upptäcka ett smutthål pekar på ett upplopp.

Isolerade system och Thermodynamikens andra lag

(Foto Kredit: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Lagen reglerar riktningen av värmeflödet mellan två objekt eller regioner som är inkongruenta med avseende på deras temperatur. Det står att två kroppar med olika temperaturer, när de är bekanta med varandra och isolerade från omgivningen, kommer att utvecklas till en termodynamisk jämvikt där båda kropparna har ungefär samma temperatur. För att det ska kunna hända kan det logiskt härledas att värmen måste strömma från föremålet till högre temperatur till objektet med lägre temperatur.

Värme kan emellertid strömma i motsatt riktning, förutsatt att det stöds av ett annat system (icke-isolerat system).

Tänk på denna utbyte som utbyte av vatten mellan två hinkar. Här kan begreppet temperatur avbildas av den mängd vatten en hink innehåller. Ett föremål med högre temperatur illustreras sedan av en hink med mer vatten medan ett föremål med lägre temperatur av en hink med mindre vatten.

Om skoporna nu är sammanfogade med ett smalt rör, så som visas i figuren nedan, kommer du att observera att vattnet kommer att strömma från skopan som innehåller mer vatten i det intilliggande vattnet tills vattnet är jämnt med öppningen. Nu kommer inget vatten att fortsätta att flöda, vilket markerar inledningen av jämvikt. Observera att den här inställningen representerar ett isolerat system.

Vatten kan också strömma i andra riktningen: från den fattiga hinken till den fulla, men det kan bara uppnås genom att arbeta på det förra: antingen genom att luta det i en sådan grad att vattnet rinner genom den smala tunneln eller fyller det med överskott av vatten från en tredje hink, i båda fallen med hjälp av extern hjälp. Denna inställning representerar ett icke-isolerat system.

Detta framgår av kylskåp eller luftkonditioneringsapparater där en kall bris erhålls på bekostnad av värme hos ett annat system - kondensorn.

Lagen kan också definieras när det gäller entropi, ett mått på statistisk störning eller slumpmässighet i ett system. När det gäller slumpmässighet, i ett isolerat system kommer entropin bara att öka. Å andra sidan, i ett icke-isolerat system som bevittnar en reversibel process är entropi en konstant. Men igen, konstansen kommer på bekostnad av omgivningen - den förvirrade värmen lägger entropi till entropin som en hel del av universum. Ökningen av entropi står för irreversibiliteten hos naturliga processer.

Således är extraktion av energi från ett system i jämvikt omöjligt, men hur gör djävulen det?

Maxwells Demon - Loophole

Detta strider mot konventionen att partiklarna av en gas vid en konstant temperatur rör sig runt med samma hastighet. Men samma hastighet är deras genomsnittliga hastighet, vilket innebär att det finns partiklar som färdas snabbare än det och partiklar som går långsammare och negerar varandra till ett medelvärde.

Genom denna enkla process hörs alla partiklar med höga energier i en kammare. Demonen har ökat temperaturen i en kammare i jämförelse med den andra. Denna övertemperatur eller -tryck kan användas för att driva en turbin eller trycka en kolv, ja, av märkbart ingenting. För att uttrycka detta på ett annat sätt har demonen minskat entropi utan några utgifter för arbete!

Maxwell tänkte på den här sensationella idén när han var förbjuden att komma in i en klubb, för han var en nörd.

Det är absolut nödvändigt att inse att demonen på sitt lömska sätt har motsatgjort entropins lag, men det har fortfarande inte brutit mot energibesparingslagen. Den har bara omfördelat den slumpmässiga kinetiska energin för att generera en tryckskillnad, så att energi kan skördas från ett initialt jämviktsystem! Demonens subterfuge har lurat naturen själv.

Kan en sådan apparat egentligen existera?

Ibland tycker jag att mitt kylskåps pappa är för svårt på honom.

På samma sätt, om demonen är en mycket avancerad maskin som selektivt söker efter vissa partiklar, uppstår frågan om var det får sin energi att göra arbete från? Och även om det gör det, förlänger förlängningen av maskinens värmeffektivitet fortfarande möjligheten till minskad entropi.

Demonen eller maskinen skulle behöva skaffa sig information om partiklarna, till exempel, låt oss säga att detekterar fotoner. I processen att interagera med dem, kommer en komplex maskin som denna oundvikligen att förbruka energi och suga upp viss värme själv och därmed öka net entropin tillbaka till det ursprungliga värdet.

Kärnan i argumentet är att varje demon måste beräkna mer entropi genom att beräkna molekylerna än vad den någonsin skulle kunna utrota med de principer som den bygger på. Det vill säga att det skulle ta mer termodynamiskt arbete för att upptäcka molekylernas hastighet och selektivt låta dem passera genom öppningen mellan kamrarna än den mängd energi som uppnås av temperaturskillnaden som orsakas av processen.

När allt är sagt och gjort måste man uppskatta Maxwells smyghet. Men om det inte var för den första lagen skulle ingen kunna rädda den andra lagen från att vara offentligt skagad. Det finns inga gratis luncher trots allt!