Что такое «демон Максвелла» и почему он волнует умы учёных?

Наука

Что такое «демон Максвелла» и почему уже полтора столетия он волнует умы великих ученых? Все просто. Ученые ищут такие процессы, которые позволяли бы теплу переходить от тел, менее нагретых к телам более нагретым.

Но, мы знаем, что тепло может переходить только от горячих тел к холодным. Это называется вторым началом термодинамики, которому бросил вызов «демон Максвелла».

Решить такую задачу, попытался в 1871 г. великий английский ученый Джеймс Максвелл. Некое фантастическое существо – «демон Максвелла» обладало функциями подобного механизма. «Демон Максвелла» обладает столь изощренными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в ее движениях и знать ее скорость.

Демон Максвелла
Демон Максвелла

Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и «демон Максвелла» будет сидеть у дверцы в перегородке, мы сможем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. «Демон Максвелла» будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные – в другую, тогда в одной части сосуда и температура, и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы без затраты работы получим неограниченный запас энергии.

Энтропия же для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя «демона Максвелла» и сосуд. Для функционирования «демона Максвелла» необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде.

За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может и не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым.

Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым).

Поскольку память конечна, в определённый момент «демон Максвелла» вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.

Много раз ученые убедительно доказывали, что «демон Максвелла» лишь шутка великого физика. Действительно, «демон Максвелла» в сосуде с двумя молекулами не эффективен; они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала.

Однако страсти не унимаются, «демон Максвелла» старается найти все новые аргументы в свою защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной этой проблеме, всерьез говорится, что «демон Максвелла» существует только в виде квантового генератора – лазера, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных молекул.

Однако, до сих пор нет ни строгих доказательств, что «демон Максвелла» существует, ни строгих опровержений этого. «Демон Максвелла» подогревает интерес к дальнейшим поискам.

Источник
Оцените статью
iFacto
Добавить комментарий