Хитрый, расчетливый и нереальный: кто такой демон Максвелла — Naked Science
11 минут
Редакция
8

Хитрый, расчетливый и нереальный: кто такой демон Максвелла

4.0

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
©Wikipedia

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.

Однако в реальности все не совсем так. О втором законе термодинамики и энтропии вы можете прочитать в другом нашем материале. 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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 17:41
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

Вчера, 15:59
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

Позавчера, 15:24
5 минут
Илья Ведмеденко

Военно-морской флот получил многоцелевую атомную подводную лодку К-561 «Казань». Это один из самых совершенных кораблей такого типа в мире.

Вчера, 17:41
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

Вчера, 15:59
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

5 мая
6 минут
Сколтех

В России таких результатов не было уже около десяти лет. Его получение потребовало настоящей кооперации между исследователями ИВМ РАН, Сколтеха и МГУ.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

8 Комментариев

29.01.2019
-
0
+
Интересно, что Масквелл мысленно предвосхитил создание некоего композитного материала, который сможет посредством изменения, допустим, полярности сторон изменять свойства по пропуску частиц в ту или иную сторону с активным нагнетанием там давления. По сути это будет двигатель в виде корпуса аппарата. Я, честно говоря, уже полвека жду это изобретение. Правда я ещё жду и другое изобретение, в области энергетики, когда возможно будет брать энергию напрямую из эфира, тогда в этих изобретениях будет реальный смысл, а не только мысленный.
    -
    0
    +
    Концепцию эфира вроде же отвергли, или я что-то пропустил?
    +
      ещё комментарии
      15.08.2020
      -
      0
      +
      Это их проблемы. Мироздание состоит из уровней. Оно выглядит, как пирамида. В вершине находится энергетическая волна ленты Мебиуса, которая колеблясь, вращаясь и перемещаясь, меняя свой размер, создает нижний уровень с частицами материи. Она основа мироздания и материи. Ниже на уровень находится продукт её деятельности - частицы, которые являются сами инициаторами создания нижнего уровня, который тоже колеблются, вращаются и перемещаются, меня свой размер, создают нижний уровень материи. И так до бесконечности, как вверх по уровням, так и в низ. А эфир это не термин, а очень плотная энергетическая субстанция, поэтому в ней с такой огромной скоростью передаются электромагнитные волны и свет, это похоже на толчок локомотивом состава, импульс толчка передаётся очень четко и без провалов. Тесла считал, и я с ним согласен, что эфир очень плотный, именно поэтому волны мгновенно перемещаются в нём.
        15.08.2020
        -
        0
        +
        Вселенская Разумная Энергетическая Система (ВРЭС), - это двоичная система является основой всего мироздания, она по своим конструктивным особенностям похожа на энергетическую ленту Мебиуса. Которая имеет одну поверхность и сразу два заряда - плюс и минус, которые борются за свое выживание и являются разумными в результате этой борьбы, люди ещё называют этот противостояние, как борьба единства и противоположностей, по сути - это и есть Альфа и Омега всего мироздания, люди называют эту двоичную систему именем Бог. Собственно это и есть те самые принципы суперпозиции и квантовая запутанность частиц одновременно, о которых все говорят с умным видом.
          -
          0
          +
          Ааа, понял. Основа мироздания - разум. Батенька, да вам бы на альтернативные ресурсы то надо. Или сразу на правмир.
            15.08.2020
            -
            0
            +
            А тебе, Буратино, надо в Страну Дураков, если ты думаешь, что основа мироздания дебилизм, идиотизм и глупость несусветная. Зарой там под деревом свои золотые.
              -
              0
              +
              Вот спасибо, а я не знал. кто я и что мне делать. Не хворайте.
                15.08.2020
                -
                0
                +
                Наш энергетический мир разумный, многоуровневый и фрактальный, а мы часть его и находимся внутри него - вот вам истина. Всё просто. Случайности, чудеса, волшебство, идеализм и хаос существует для неадекватных, невменяемых, необразованных и тупых дебилов, фанатиков и идиотов низшего уровня. А для вменяемых и образованных людей в нашем энергетическом мире всё разумно, логично, рационально и очень красиво. Успехов!
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: