Maksvela dēmons jeb kā apiet otro termodinamikas likumu
Sveiki, dārgie viesi un mana kanāla abonenti. Šodien es vēlos ar jums runāt par tā dēvēto Maksvela dēmonu, kas radās diskusijas laikā par otro termodinamikas likumu. Tātad sāksim.
Ne tikai zinātniskās fantastikas romānos jūs varat atrast kādu neparastu radību, bet pat šķietami ārkārtīgi tālu no daiļliteratūras izrādās, ka tādai zinātnei kā fizika ir vieta neparastām un pat fantastiskām radībām, piemēram, dēmoni.
Iespējams, ka visslavenākā šāda būtne bija tā sauktais Maksvela dēmons, kuru izveidoja pats Džeimss Klerks Maksvels, Maksvela vienādojumu sistēmas radītājs. Un viņš (dēmons) tika izgudrots aktīvās debatēs par otro termodinamikas likumu.
Ko saka otrais termodinamikas likums?
Tātad saskaņā ar otro dinamikas likumu tajā ir pietiekami daudz formulējumu, bet tajā pašā laikā fiziskā nozīme ir vienāda: sistēma, atsevišķi, nespējot patstāvīgi pāriet no mazāk sakārtota stāvokļa uz vairāk sakārtotu Valsts.
Piemēram, iedomāsimies noteiktu gāzes daudzumu, kur molekulas pārvietojas ar dažādu ātrumu. Saskaņā ar otro likumu gāze nav spējīga patstāvīgi sadalīties divās pusēs, kur vienā būs gāze ar maza ātruma molekulām, bet otrajā - gāze ar liela ātruma molekulām.
Arī liels skaits procesu ir atgriezeniski. Tā, piemēram, parasto ūdeni var sasaldēt, un pēc atkausēšanas atkal var iegūt šķidru ūdeni.
Metālu var gan magnetizēt, gan pēc tam demagnetizēt. Ir arī neatgriezeniski procesi, piemēram, kaut ko sadedzināt. Bet visi šie procesi saskaņā ar otro termodinamikas likumu novedīs vai nu pie sistēmas sakārtošanas pakāpes saglabāšanas vai samazināšanās.
Šī situācija vajāja un satrauca 19. gadsimta zinātniskos prātus. Un tieši šajā laikā Maksvels noformulēja savu nebūt ne mazsvarīgo risinājumu, kas, kā toreiz šķita, ļāva graciozi apiet otro termodinamikas likumu un novērst nenovēršamu haosa pieaugumu slēgtā telpā sistēmā.
Viņš izveidoja šādu domu eksperimentu.
Domu eksperiments vai tas, kā parādījās Maksvela dēmons
Maksvela eksperimenta būtība:
Iedomājieties trauku, kas sadalīts divās vienādās pusēs. Turklāt nodalījumā (tādējādi konteiners tiek sadalīts divās identiskās daļās un tas joprojām ir pilnīgi necaurlaidīgs gāzei) ir mikroskopiskas atveres-durvis, kas vienlaikus var izlaist tikai vienu gāzes atomu.
Tajā pašā laikā viena tvertnes puse ir pilnībā piepildīta ar gāzi, bet otra - ar tīru vakuumu.
Tagad garīgi iedomāsimies, ka pie šī kontrolpunkta durvīm tiek uzrādīts sardzes sargs, kurš vismīļāk novēro gāzes molekulas.
Tajā pašā laikā viņš (sargs) atver ātro molekulu eju un ar vakuumu ielaiž trauka otrajā pusē un nepietiekami ātrgaitas atstāj tur, kur viņi atradās.
Ir loģiski, ka, ja kontrolpunkta darbs ar sardzi ilgst ievērojamu laiku, tad gāze tiks sadalīta divās daļās. Vienā būs atdzesēta gāze ar lēnām molekulām, bet otrā - karsta gāze ar karstām gāzes molekulām.
Tādējādi sistēma tiks sakārtota attiecībā pret sākotnējo stāvokli, un tādējādi tiek pārkāpts otrais termodinamikas likums.
Turklāt iegūto temperatūras nelīdzsvarotību ir diezgan pieņemami izmantot darba iegūšanai (Saskaņā ar cikla un Karna teorēmu).
Un tas nozīmē, ja bēdīgi slavenais sargs tiek atstāts kontrolpunktā uz neierobežotu laiku, tad mēs nesaņemsim neko vairāk kā mūžīgo kustības mašīnu.
Tieši šo sardzes kontrolieri citi zinātnieki sauca par Maksvela dēmonu. Un likās, ka šajā eksperimentā viss tika ņemts vērā, un, ak, kā tas nenodarīs pāri mūžīgai kustības mašīnai. Bet ir viens ievērojams aizķeršanās.
Kāda ir Dēmona Maksvela problēma
Gandrīz no paša sākuma domu eksperiments tika apšaubīts, un kāpēc:
Dēmona-sardzes bezgalīgajam darbam ir nepieciešama enerģijas piegāde fotonu plūsmas veidā, kas nepieciešama ienākošo molekulu apgaismošanai un sijāšanai.
Šķirojot molekulas, dēmons nevar tikai mijiedarboties ar molekulām, kas nozīmē, ka viņi paši iegūs siltuma enerģiju no gāzes. Tas nozīmē, ka entropija neizbēgami palielināsies.
Un šādas sistēmas kopējā entropija nekādā veidā nemazināsies. Tas nozīmē, ka nav pārkāpts otrais likums.
Nozīmīgs pretarguments pret Maksvela Dēmona esamību notika pēc kvantu mehānikas dzimšanas.
Tātad, lai pareizi sakārtotu lidojošās gāzes molekulas, sargam precīzi jāmēra to ātrums, kas principā nav iespējams saskaņā ar Heisenberga nenoteiktību. Arī saskaņā ar to pašu principu precīzu molekulas stāvokli nevar noteikt.
Un tas nozīmē, ka neizbēgami dažām molekulām, pirms kurām tiks atvērtas durvis, tās pietrūks.
Tas ir, Maksvela dēmons būtībā ir makroskopisks zilonis mikropasaules porcelāna veikalā, kurš dzīvo pēc saviem noteikumiem.
Un, ja viņu (dēmonu sargu) uzrāda saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem, tad viņš nevarēs kārtot molekulas. Tāpēc otrajam termodinamikas likumam tas nav bīstams.
Tā tika iznīcināta mītiskā fizikas radība - Maksvela dēmons.
Ja jums patika materiāls, tad neaizmirstiet to novērtēt kā vēlaties, kā arī abonējiet.
Paldies, ka lasījāt līdz galam!