Maxwell démona, vagy hogyan lehet megkerülni a termodinamika második törvényét
Helló kedves vendégeim és csatornám előfizetői. Ma szeretnék beszélni önnel az úgynevezett Maxwell démonáról, amely a termodinamika második törvényének megvitatása során keletkezett. Tehát kezdjük.
Nem csak a tudományos-fantasztikus regényekben találhatsz szokatlan lényt, de még egy látszólag rendkívüliben is távol a fikciótól, a tudomány, mint a fizika, kiderül, hogy szokatlan, sőt fantasztikus lények helye, mint pl démonok.
Talán a leghíresebb ilyen lény az úgynevezett Maxwell démona volt, amelyet maga James Clerk Maxwell, a Maxwell egyenletrendszer megalkotója hozott létre. És őt (a démonot) a termodinamika második törvénye körül folyó aktív vita során találták ki.
Mit mond a termodinamika második törvénye?
Tehát a dinamika második törvénye szerint elegendő megfogalmazása van, ugyanakkor a fizikai jelentése ugyanaz: a rendszer, elszigetelten, nem képes önállóan áttérni egy kevésbé rendezett állapotról egy rendezettebbre állapot.
Képzeljünk el például egy bizonyos térfogatú gázt, ahol a molekulák különböző sebességgel mozognak. A második törvény szerint a gáz nem képes önállóan két részre osztódni, ahol az egyik kis sebességű molekulákat tartalmazó gázt, a második rész pedig a nagy sebességű molekulákat tartalmazó gázt tartalmaz.
Emellett számos folyamat visszafordítható. Tehát például a közönséges vizet lefagyaszthatják, és leolvasztás után újra folyékony vizet nyerhetnek.
A fémet egyszerre lehet mágnesezni, majd mágnesezni. Vannak visszafordíthatatlan folyamatok is, például égetnek valamit. De ezek a folyamatok a termodinamika második törvénye szerint vagy a rendszer megőrzéséhez, vagy a rendezettség mértékének csökkenéséhez vezetnek.
Ez a helyzet kísértette és zavarta a 19. század tudományos elméjét. És ekkor fogalmazta meg Maxwell nem triviális megoldását, amely, ahogyan abban a pillanatban látszott, lehetővé tette a termodinamika második törvényének kecses megkerülését, és megakadályozta a káosz elkerülhetetlen növekedését egy zárt rendszer.
Ilyen gondolatkísérletet hajtott végre.
Gondolatkísérlet, vagy hogyan jelent meg Maxwell Démonja
Maxwell kísérletének lényege:
Képzeljen el egy edényt, amely két egyenlő felre oszlik. Sőt, a válaszfalon (ez két egyforma részre osztja a tartályt, és még mindig teljesen átjárja a gázt) van egy mikroszkopikus lyukajtó, amely egyszerre csak egy gázatomot engedhet át.
Ugyanakkor a tartály egyik fele teljesen megtelik gázzal, a második pedig tiszta vákuummal.
Most képzeljük el, hogy egy mikrovigyár álljon az ellenőrzőpont ajtó elé, aki a legszándékosabb módon figyeli a gázmolekulákat.
És ezzel egyidejűleg ő (őrszem) kinyitja a gyors molekulák átjáróját, és vákuummal átviszi őket a tartály második felébe, és az elégtelenül nagy sebességűeket ott hagyja, ahol voltak.
Logikus, hogy ha az ellenőrző ponttal végzett munka az őrrel jelentős ideig tart, akkor a gáz két részre oszlik. Az egyik hűtött gáz lassú molekulákkal, a másik pedig forró gáz forró gázmolekulákkal rendelkezik.
Így a rendszert a kezdeti állapothoz viszonyítva rendezik, és így a termodinamika második törvénye sérül.
Ezenkívül a kapott hőmérsékleti egyensúlyhiány elég elfogadható a munka megszerzésére (a Cycle és Carnot tétel szerint).
És ez azt jelenti, hogy ha a hírhedt őrt korlátlan ideig hagyják az ellenőrző ponton, akkor nem kapunk mást, mint egy örökmozgót.
Ezt az őr-vezérlőt hívták más tudósok Maxwell démonának. És úgy tűnt, ebben a kísérletben mindent figyelembe vettek, és ó, hogy ez nem árt egy örökmozgónak. De van egy jelentős gubanc.
Mi Demon Maxwell problémája
Szinte a kezdetektől fogva megkérdőjelezték a gondolatkísérletet, és íme:
A démonőr őrének végtelen munkájához energiaellátásra van szükség fotonáram formájában, amely a beérkező molekulák megvilágításához és szitálásához szükséges.
A molekulák válogatása közben a démon nem tud kölcsönhatásba lépni a molekulákkal, ami azt jelenti, hogy maguk is hőenergiát nyernek a gázból. Ez azt jelenti, hogy az entrópia elkerülhetetlenül megnő.
És egy ilyen rendszer teljes entrópiája semmilyen módon nem csökken. Ez azt jelenti, hogy a második törvényt nem sértik meg.
Jelentős ellenérv volt Maxwell Démona létezése ellen a kvantummechanika születése után.
Tehát a felrepülő gázmolekulák helyes rendezése érdekében az őrnek pontosan meg kell mérnie sebességüket, ami Heisenberg bizonytalansága szerint elvileg lehetetlen. Ugyanezen elv szerint a molekula pontos helyzete sem határozható meg.
Ez pedig azt jelenti, hogy óhatatlanul hiányozni fog néhány olyan molekula, amely előtt az ajtó kinyílik.
Vagyis Maxwell démonja lényegében egy makroszkopikus elefánt a mikrovilág porcelánüzletében, saját szabályai szerint él.
És ha őt (a démonőrt) a kvantummechanika törvényeinek megfelelően mutatják be, akkor nem lesz képes a molekulákat rendezni. Ezért nem veszélyes a termodinamika második törvényére.
Így semmisült meg a fizika mitikus lénye, Maxwell démona.
Ha tetszett az anyag, akkor ne felejtsd el értékelni, ahogy akarod, és iratkozz fel.
Köszönöm, hogy végigolvastad!