Pada akhir abad ke-19, ahli fizik Britain James Maxwell mengusulkan eksperimen pemikiran yang seolah-olah melanggar undang-undang termodinamik. Akibatnya, watak utama eksperimen ini dinamakan setan Maxwell. Mari cuba mencari tahu apa yang luar biasa mengenai entiti fiksyen ini.
Maxwell's Demon adalah entiti hipotesis yang dikemukakan oleh James Clerk Maxwell dalam salah satu eksperimen pemikirannya, mungkin pada tahun 1871.
Apa kaitan syaitan dan Maxwell dengannya? Secara umum, inti yang dikemukakan oleh Maxwell adalah sejenis tuhan yang bertentangan dari mesin itu, seseorang mungkin mengatakan, setelah menemui cara untuk menghindari salah satu undang-undang Alam Semesta yang paling mendasar dan tidak dapat dipertikaikan - undang-undang termodinamik kedua. Pada mulanya, rakan-rakan saintis itu tidak memandang serius eksperimen pemikiran dan malah bingung, kerana "intipati" ini boleh bermaksud bahawa akhirnya anda dapat melupakan pembaziran arang batu dan hanya mendapatkan pekerjaan tanpa henti, sebenarnya, tanpa apa-apa.
Dan sekarang kita akan berusaha untuk mengetahui mengapa iblis Maxwell menimbulkan kebingungan di antara para pencahayaan sains pada akhir abad ke-19.
Syaitan Maxwell - celah dalam entropi
Percubaan pemikiran Maxwell pada asalnya disebut dalam korespondensi saintis dengan Peter Tate sekitar tahun 1867. Ia kemudian diperkenalkan kepada umum dalam buku Maxwell mengenai termodinamik yang disebut Theory of Heat, yang diterbitkan pada tahun 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Video promosi:
Walaupun fakta bahawa Maxwell sendiri tidak pernah menggunakan kata "setan" ketika menerangkan eksperimen itu, ejennya membuka pintu (di partisi di dalam kotak gas kami) di antara bilik sebagai "makhluk terhad." Entiti ini pertama kali dinamakan "setan" oleh William Thomson, yang dikenali sebagai Lord Kelvin, untuk menggambarkan Ejen Maxwell di Nature pada tahun 1874. Sebagai pembenaran, dia berpendapat bahawa dia ingin menetapkan sifat perantara inti dengan cara ini dan tidak akan menekankan konotasi negatif dari kata itu sendiri.
Jadi kembali ke percubaan. Ini terutamanya sistem tertutup. Alat yang dicadangkan terdiri daripada kuboid sederhana, yang mengandungi sebilangan gas sewenang-wenangnya. The kuboid dibahagikan kepada dua bahagian dengan ukuran yang sama dengan suhu seragam yang sama. Di dinding yang membahagi bahagian, syaitan duduk, dengan hati-hati memilih zarah-zarah yang tersebar secara rawak sehingga semua zarah dengan tenaga kinetik tinggi dikumpulkan dalam satu bahagian, sementara selebihnya - dengan tenaga kinetik rendah - tetap di bahagian lain.
Kita boleh mengatakan bahawa syaitan ini adalah kiasan bagi alat atau mesin yang mampu menganalisis dengan teliti kelajuan atau tenaga kinetik setiap zarah dalam wadah apa pun. Berdasarkan analisisnya, penyesuaian dapat menentukan dengan tepat partikel mana yang seharusnya, secara kasar, disimpan untuk dirinya sendiri, dan yang - disingkirkan.
Kiri: dua bahagian dipenuhi dengan gas. Kanan: Syaitan Maxwell membuka dan menutup pintu di bahagian antara bahagian / J. Hirshfield.
Sementara itu, ini bertentangan dengan pendapat yang diterima umum bahawa zarah-zarah gas pada suhu tetap bergerak dengan kelajuan yang sama. Walaupun begitu, kelajuan yang sama adalah kelajuan rata-rata mereka, yang bermaksud bahawa ada zarah yang bergerak pada kelajuan yang lebih tinggi, dan ada zarah yang bergerak dengan kelajuan yang lebih rendah, sehingga semuanya menjadi nilai rata-rata.
Melalui proses ini - tindakan syaitan Maxwell - semua zarah bertenaga tinggi seterusnya digerakkan ke dalam satu bahagian. Iblis menaikkan suhu satu bahagian kotak berbanding yang lain. Suhu atau tekanan yang berlebihan ini dapat digunakan untuk menghidupkan turbin atau omboh. Ya, ini menunjukkan bahawa kita mendapat tenaga dari apa-apa. Dengan kata lain, iblis telah mengurangkan entropi tanpa berusaha.
Namun, perlu dipahami bahwa iblis licik menggunakan muslihatnya dan sebagai akibatnya dapat bertentangan dengan hukum entropi, tetapi dia tidak melanggar hukum pemuliharaan tenaga. Dia hanya mengagihkan tenaga kinetik rawak untuk membuat perbezaan tekanan yang mencukupi untuk menarik tenaga dari sistem yang pada awalnya seimbang. Syaitan licik menipu alam itu sendiri!
Bolehkah alat seperti itu wujud?
Bagaimanapun, alat seperti itu tidak dapat dibuat dalam kenyataan. Alam tidak mudah tertipu. Tentu saja, iblis yang licik dan pandai dapat menghindari sekatan penindasan dari hukum termodinamik kedua, tetapi dia tidak dapat melepaskan diri dari pandangan hukum termodinamik pertama.
Menurut undang-undang termodinamika pertama, tidak ada mesin yang dapat berfungsi tanpa sumber haba, dan dalam proses kerja, ia juga dapat menyerapnya secara separa. Atau, prestasi proses tidak akan pernah mencapai 100 peratus. Mesin bukan sahaja memerlukan rangsangan dalam bentuk panas, mereka juga perlu menyerapnya, sehingga menaikkan suhu mereka sendiri.
Penukaran tenaga haba menjadi tenaga mekanikal dalam mesin wap tidak mutlak. Sebilangan haba diserap oleh mesin itu sendiri, mengurangkan prestasi keseluruhan dan meningkatkan entropi di sekitarnya.
Sekiranya syaitan itu adalah mesin berteknologi tinggi yang secara selektif mengesan zarah-zarah tertentu, timbul persoalan: dari mana ia mendapat tenaga untuk melakukan tugasnya? Walaupun dia berjaya melakukan ini, pengembangan berkaitan dengan prestasi termal mesin masih menafikan kemungkinan penurunan entropi.
Peralihan sistem tertutup dari entropi rendah ke tinggi / Sokratik.
Setan atau mesin mesti mendapatkan maklumat mengenai zarah-zarah tersebut. Ambil foton, sebagai contoh. Dalam proses berinteraksi dengan mereka, alat yang kompleks seperti iblis Maxwell pasti akan menghabiskan tenaga dan menyerap sebahagian haba itu sendiri, meningkatkan jumlah entropi dan membawanya kembali ke nilai asalnya.
Titik argumennya adalah bahawa, menurut perhitungan, setiap syaitan pasti akan "menjana" lebih banyak entropi dengan memisahkan molekul daripada yang pernah dia dapat "menghancurkan" - ini selaras dengan prinsip-prinsip di mana dia didasarkan. Dengan kata lain, diperlukan lebih banyak kerja termodinamik untuk menentukan kelajuan molekul dan memilihnya untuk melewati pintu antara bahagian daripada jumlah tenaga yang diperoleh daripada perbezaan suhu yang timbul setelah kerja selesai.
Walaupun begitu, harus diperhatikan bahawa Maxwell sangat licik. Namun, jika tidak kerana undang-undang termodinamika pertama, tidak ada yang dapat menyelamatkan undang-undang kedua dari rasa malu masyarakat.
Vladimir Guillen
