То что нужно настоящему мужыку!
В конце XIX века британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, который, казалось бы, наруш

Хитрый, расчетливый и нереальный: кто такой демон Максвелла



В конце XIX века британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, который, казалось бы, нарушает законы термодинамики. В итоге центрального персонажа этого эксперимента назвали демоном Максвелла. Попробуем разобраться, чем же примечательна эта вымышленная сущность.

Демон Максвелла — гипотетическая сущность, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом в одном из его мысленных экспериментов, предположительно, в 1871 году.

При чем тут демон и Максвелл? В общем говоря, сущность, предложенная Максвеллом, — эдакий противоречащий бог из машины, можно сказать, обнаруживший способ обойти один из самых фундаментальных и неоспоримых законов Вселенной — второе начало термодинамики. Изначально коллеги ученого не восприняли мысленный эксперимент всерьез и даже были сбиты с толку, ведь эта «сущность» могла означать, что наконец-то можно забыть о трате угля и просто бесконечно получать работу, по сути, из ничего.

А сейчас мы попробуем разобраться, почему демон Максвелла вызвал недоумение у светочей науки конца XIX века.

Демон Максвелла — лазейка в энтропии

Изначально мысленный эксперимент Максвелла был упомянут в переписке ученого с Питером Тейтом примерно в 1867 году. Позже он был представлен общественности в книге Максвелла о термодинамике под названием «Теория теплоты» (Theory of Heat), опубликованной в 1872 году.

Джеймс Клерк Максвелл / Gresham College.

Несмотря на то что сам Максвелл никогда не использовал слово «демон», описывая эксперимент, его агент открывал дверь (в перегородке в нашем ящике с газом) между камерами, как «ограниченное существо». Впервые эту сущность назвал «демоном» Уильям Томсон, известный как Лорд Кельвин, для описания агента Максвелла в журнале Nature в 1874 году. В качестве обоснования он утверждал, что хотел таким образом обозначить посреднический характер сущности и ни в коем случае не собирался делать упор на негативный оттенок самого слова.

Итак, вернемся к эксперименту. Речь идет прежде всего о закрытой системе. Предполагаемый аппарат состоит из простого кубоида, в котором содержится какой-то произвольный газ. Кубоид разделен на две секции равного размера с одинаковой, равномерной температурой. На стенке, разделяющей секции, сидит демон, тщательно отбирающий случайным образом разбросанные частицы так, что все частицы с высокой кинетической энергией собираются в одной секции, а остальные — с низкой кинетической энергией — остаются в другой.

Можно сказать, что этот демон — метафора приспособления или машины, способной тщательно анализировать скорость или кинетическую энергию каждой частицы в каком-либо контейнере. Основываясь на своем анализе, приспособление может точно определить, какие частицы ему следует, грубо говоря, оставить себе, а от каких — избавиться.

Слева: две секции, заполненные газом. Справа: демон Максвелла, открывающий и закрывающий дверь в перегородке между секциями / J. Hirshfield.

Между тем это противоречит общепринятому мнению, что частицы газа при постоянной температуре движутся с одинаковой скоростью. Тем не менее эта же скорость — их средняя скорость, а значит, есть частицы, движущиеся с более высокой скоростью, и есть частицы, движущиеся с более низкой скоростью, сводя все к среднему значению.

При помощи этого процесса — действий демона Максвелла — все частицы с высокими энергиями впоследствии загоняются в одну секцию. Демон повысил температуру одной части ящика по сравнению с другой. Эту избыточную температуру или давление можно использовать для питания турбины либо поршня. Да, из этого следует, что мы получаем энергию буквально из ничего. Другими словами, демон уменьшил энтропию, не затратив при этом усилий.

Необходимо понять, однако, что коварный демон применил свои уловки и в итоге смог противоречить закону энтропии, но закон сохранения энергии он не нарушил. Он просто перераспределил случайную кинетическую энергию для создания разницы в давлении, достаточной для получения энергии из изначально уравновешенной системы. Хитрость демона обманула саму природу!

Может ли такой аппарат существовать

Как бы то ни было, подобный аппарат в реальности создать невозможно. Природу не так легко обмануть. Конечно, коварный и умный демон смог избежать гнетущих санкций второго начала термодинамики, но ему никуда не деться от всевидящего ока первого начала термодинамики.

Согласно первому началу термодинамики, никакая машина не способна функционировать без источника тепла, а в процессе работы еще и частично его поглощать. Или же производительность процесса никогда не достигнет 100 процентов. Машинам нужен не только стимул в виде тепла, им еще необходимо впитывать его, тем самым повышая собственную температуру.

Преобразование тепловой энергии в механическую энергию в паровых двигателях не абсолютна. Часть тепла поглощается самим двигателем, понижая общую производительность и повышая окружающую его энтропию.

Если же демон — это высокотехнологичная машина, избирательно отслеживающая определенные частицы, возникает вопрос: откуда он берет энергию для выполнения своей работы? Даже если он каким-то образом умудряется это делать, то расширение в отношении тепловой производительности машины все равно отрицает возможность снижения энтропии.

Переход закрытой системы от низкой энтропии к высокой / Socratic.

Демону или машине пришлось бы получить информацию относительно частиц. Возьмем, к примеру, фотоны. В процессе взаимодействия с ними сложный аппарат вроде демона Максвелла неизбежно будет тратить энергию и сам впитывать часть тепла, повышая общую энтропию и приводя ее к изначальному значению.

Суть аргумента в том, что, по расчетам, любой демон будет неминуемо «генерировать» больше энтропии, разделяя молекулы, чем он когда-либо сможет ее «уничтожить», — это соответствует принципам, на которых он основан. Другими словами, ему потребовалось бы гораздо больше термодинамической работы для определения скорости молекул и их отбора для прохода через дверь между секциями, чем количество энергии, полученной в результате разности температур, возникшей после проделанной работы.

Как бы то ни было, нельзя не отметить, что Максвелл был весьма хитер. Однако, если бы не первое начало термодинамики, ничто бы не спасло второе начало от публичного позора.

Владимир Гильен

Источник:

https://naked-science.ru


Источник: Хитрый, расчетливый и нереальный: кто такой демон Максвелла
Опубликовал:
Теги: Закон скорость отношение переход ГАЗ Интересно

Комментарии (3)

Сортировка: Рейтинг | Дата
Андрей Подорожный
На самом деле демон Максвелла - это мы, люди. Мы строим дома, создаём города, добываем полезные ископаемые, заливаем бензин (предварительно созданный) в автомобиль(который тоже в дикой природе не найти). Автомобиль едет туда, куда нам в голову взбредёт так далее.
Всё это явно нарушает второй закон термодинамики, но не нарушает первого закона. Потому что для всех этих наших деяний требуется затратить очень много энергии.
И наука 20-го века нашла ответы на эти вопросы. Приводить их здесь слишом долго.
Дмитрий Тихонов 
Разные ящички находятся в областях тёмной энергии, составляющей большую часть космического пространства!
Неизвестно Неизвестно 
Если частицы изначально с разной кинетической энергией, кто их уже смешивает . Зачем ? Где то они уже лежат в разных ящиках .
Написать комментарий:
Напишите ответ :
«Нереальная красотКа!»: Сеть взорвало откровенное фото Глюк’oZы
«Нереальная красотКа!»: Сеть взорвало откровенное фото Глюк’oZы
10
Мужской журнал 23:23 09 июн 2018
Происхождение демонов. Иная версия
Происхождение демонов. Иная версия
3
Мужской журнал 07:01 23 сен 2018
Шумоизоляция квартиры - как она делается Шумоизоляция квартиры - как она делается
Подборка нереально красивых девушек.
Подборка нереально красивых девушек.
0
Мужской журнал 14:54 08 авг 2017
Хитрые уловки сотрудников ДПС
Хитрые уловки сотрудников ДПС
39
Авто-Тема 19:34 25 июл 2018
Так есть ли хитрый план у Путина? Не спешите ржать…
Так есть ли хитрый план у Путина? Не спешите ржать…
16
Ваши новости 16:29 05 фев 2019
30 удивительных фотографий без Фотошопа. Нереальная красота!
30 удивительных фотографий без Фотошопа. Нереальная красота!
0
Мужской журнал 20:40 29 окт 2017
От «глупых» к «хитрым»: как на западе меняют стереотипы о русских
От «глупых» к «хитрым»: как на западе меняют стереотипы о русских
2
Ваши новости 22:01 07 ноя 2017
Как китайцы затащили авианосец в озеро?
Как китайцы затащили авианосец в озеро?
10
Мужской журнал 12:01 10 июн 2019
АНЕКДОТ +
АНЕКДОТ +
3
Мужской журнал 16:02 05 янв 2018
Конец «хитрого плана» Путина
Конец «хитрого плана» Путина
0
Ваши новости 14:01 30 май 2019
Два дебила - это сила!
Два дебила - это сила!
74
Авто-Тема 11:28 24 мар 2019
Мини-мандарин выращиваем дома
Мини-мандарин выращиваем дома
0
Все о работе руками 22:45 Вчера

Выберете причину обращения:

Выберите действие

Укажите ваш емейл:

Укажите емейл

Такого емейла у нас нет.

Проверьте ваш емейл:

Укажите емейл

Почему-то мы не можем найти ваши данные. Напишите, пожалуйста, в специальный раздел обратной связи: Не смогли найти емейл. Наш менеджер разберется в сложившейся ситуации.

Ваши данные удалены

Просим прощения за доставленные неудобства