מהו השד של מקסוול?

השד של מקסוול (יולי 2019).

Anonim

השד של מקסוול הוא ישות היפותטית שהפיסיקאי ג'יימס פקיד מקסוול העלה באחד מניסויי החשיבה שלו בסביבות 1871. ניסוי המחשבה כלל מנגנון שיוציא עבודה ממערכת מבודדת, למרות שהיא קיימת בשיווי משקל, בטמפרטורה אחידה אחת.

ביסודו של דבר, הישות המקראית של מקסוול היא סוג של דאוס אקס מאצ'ינה אשר סותר או פיתח בחוכמה דרך לעקוף את החוק המהותי ביותר שאין לערער עליו: החוק השני של התרמודינמיקה. מטבע הדברים, הרעיון לחילוץ עבודה או אנרגיה לכאורה לא עורר תמיהה בקרב עמיתיו - אין ספק שזו יכולה להיות סופה של הפקת פחם ללא לאות למנוע קיטור רעב? ארוחת צהריים חינם!

לא כל כך בסיסי עכשיו זה?

ובכן לא באמת. כדי להבין איך זה עובד, עלינו קודם להבין מה החוק כרוך ומדוע לגלות פרצה קוראת מהומה.

מערכות מבודדות והחוק השני של התרמודינמיקה

(צילום: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

החוק קובע את כיוון זרימת החום בין שני אובייקטים או אזורים שאינם תואמים מבחינת טמפרטורתם. הוא קובע כי שני גופים של טמפרטורות שונות, כאשר מכירים זה את זה ומבודדים מסביבתם, יתפתחו לשיווי משקל תרמודינמי, שבו לשני הגופים יש אותה טמפרטורה. כדי שזה יקרה, זה יכול להיות הגיוני להסיק כי החום חייב לזרום מן האובייקט של טמפרטורה גבוהה יותר לאובייקט של טמפרטורה נמוכה.

עם זאת, החום יכול לזרום בכיוון ההפוך, בתנאי שהוא נעזר מערכת אחרת (לא מבודד המערכת).

תחשוב על חילופי הדברים האלה כמו חילופי מים בין שני דליים. כאן, מושג הטמפרטורה יכול להיות מתואר על ידי כמות המים דלי מכיל. אובייקט של טמפרטורה גבוהה מאוייר אז על ידי דלי עם מים יותר בעוד אובייקט של טמפרטורה נמוכה על ידי דלי עם פחות מים.

אם הדליים מחוברים עכשיו בצינור צר, כפי שמוצג באיור שלהלן, תוכלו להבחין כי המים יזרום מן הדלי המכיל יותר מים לתוך המים הסמוכים עד רמות המים עם הפתח. עכשיו אין מים ימשיכו לזרום, זה מסמן את תחילת שיווי המשקל. שים לב כי הגדרה זו מייצגת מערכת מבודדת.

עכשיו, המים יכולים גם לזרום בכיוון ההפוך: מן הדלי העניים למלוא, אבל זה יכול להיות מושגת רק על ידי ביצוע עבודה על לשעבר: או על ידי הטיה אותו במידה כזו המים זורמים דרך המנהרה הצרה או מילוי אותו עם עודף מים מדלי שלישי, בשני המקרים לעזר חיצוני. הגדרה זו מייצגת מערכת לא מבודדת.

זה בא לידי ביטוי מקררים או מזגנים שבו רוח קרירה מתקבל על חשבון חום של מערכת אחרת - הקבל.

החוק יכול גם להיות מוגדר במונחים של אנטרופיה, מידה של הפרעה סטטיסטית או אקראיות של מערכת. במונחים של אקראיות, במערכת מבודדת, האנטרופיה רק ​​תגדל. מאידך גיסא, במערכת בלתי מבודדת, המעידה על תהליך הפיך, האנטרופיה היא קבועה. עם זאת, שוב, הקביעות באה על חשבון הסביבה - החום הגולה מוסיף אנטרופיה לאנטרופיה כמו היקום כולו. הגידול באנטרופיה מסביר את התהפכותם של תהליכים טבעיים.

לכן, שאיבת אנרגיה ממערכת שיווי משקל היא בלתי אפשרית, אבל איך השטן עושה את זה?

שד מקסוול - הפרצה

זה מנוגד האמנה כי חלקיקים של גז בטמפרטורה קבועה לנסוע סביב באותה מהירות. עם זאת, אותה מהירות היא המהירות הממוצעת שלהם, כלומר יש חלקיקים לנסוע מהר יותר מאשר זה וחלקיקים לנסוע לאט יותר, שולל אחד את השני לממוצע.

בתהליך זה פשוט, לאחר מכן כל החלקיקים עם אנרגיות גבוהות הם בפינה בחדר אחד. השד העלה את הטמפרטורה של חדר אחד בהשוואה לאחרת. זה עודף טמפרטורה או לחץ יכול לשמש כוח טורבינה או לדחוף בוכנה, כן, מתוך שום דבר. כדי לשים את זה בדרך אחרת, השד יש ירידה באנטרופיה ללא כל הוצאה של עבודה!

מקסוול חשב על רעיון סנסציוני זה לאחר שנאסר עליו להיכנס למועדון, שכן הוא היה חנון.

זה הכרחי להבין כי השד בדרכיו הערמומיות יש סותר את חוק האנטרופיה, אבל זה עדיין לא הפר את חוק שימור האנרגיה. זה רק מחדש את האנרגיה הקינטית אקראי לייצר הפרש הלחץ, כגון אנרגיה ניתן לקצור מתוך מערכת equilibrated בתחילה! תחבולה של השד רימה את הטבע עצמו.

האם באמת קיים מנגנון כזה?

לפעמים אני מרגישה שאבא של המקרר שלי קשה מדי.

באופן דומה, אם השד הוא מכונה מתקדמת מאוד שמחפשת באופן סלקטיבי חלקיקים מסוימים, מתעוררת השאלה היכן הוא מקבל את האנרגיה שלו לעשות עבודה? וגם אם כן, ההרחבה לגבי יעילות החום של מכונה עדיין מכחישה את האפשרות של ירידה באנטרופיה.

השד או המכונה יצטרכו לרכוש מידע לגבי החלקיקים, למשל, נניח שגילו פוטונים. בתהליך של אינטראקציה איתם, מנגנון מורכב כגון זה יהיה בהכרח להוציא אנרגיה ולספוג קצת חום עצמו, ובכך להגדיל את האנטרופיה נטו בחזרה לערך הראשוני.

עיקרו של הטיעון הוא, שעל פי החישוב, כל שד חייב "לייצר" יותר אנטרופיה המפרידה בין המולקולות מכפי שהיא יכולה לחסל את העקרונות שעליהם היא מבוססת. כלומר, זה ייקח עבודה תרמודינמית יותר כדי לזהות את המהירות של המולקולות באופן סלקטיבי לאפשר להם לעבור דרך הפתח בין החדרים מאשר כמות האנרגיה שנרכשו על ידי הפרש הטמפרטורה שנגרם על ידי התהליך.

אחרי הכל הוא אמר לעשות, יש להעריך את ההתגנבות של מקסוול. עם זאת, אם זה לא היה עבור החוק הראשון, אף אחד לא יכול להציל את החוק השני מלהיות בפומבי chagrined. אין ארוחות חינם אחרי הכל!