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

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.

maxwell-demon1
©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.
Позавчера, 09:15
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

Позавчера, 12:49
4 минуты
Ольга Иванова

Особенно это касается витаминов D и A, а также холестерина и незаменимых аминокислот. Все эти показатели у детей, которых кормили в соответствии с веганским меню, оказались значительно ниже, чем у малышей, придерживавшихся обычной диеты.

Позавчера, 10:00
5 минут
Сергей Васильев

Новый анализ данных зонда Cassini показал, что глубина центральной части Моря Кракена может достигать 300 метров.

18 января
5 минут
Ольга Иванова

Американские ученые выявили следы растений, не относящихся к табаку, в лекарственных сосудах древних майя.

18 января
4 минуты
Ольга Иванова

Ученые выяснили, что религиозность и духовная борьба значительно влияют на экспрессию белков, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями. По крайней мере, это характерно для уроженцев Южной Азии, проживающих в США.

19 января
5 минут
Ольга Иванова

Американский ученый показал, что деньги продолжают влиять на уровень благополучия и счастья человека, даже если средств у него очень много. И чем их больше, тем зачастую выше и удовлетворенность жизнью.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

8 Комментариев
Илья
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.
    Семен Курсаков
    15.08.2020
    -
    0
    +
    Концепцию эфира вроде же отвергли, или я что-то пропустил?
    +
      ещё комментарии
      Илья
      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.
        Илья
        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.
          Семен Курсаков
          15.08.2020
          -
          0
          +
          Ааа, понял. Основа мироздания - разум. Батенька, да вам бы на альтернативные ресурсы то надо. Или сразу на правмир.
            Илья
            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.
              Семен Курсаков
              15.08.2020
              -
              0
              +
              Вот спасибо, а я не знал. кто я и что мне делать. Не хворайте.
                Илья
                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
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: