Qual è il demone di Maxwell?

Valak: Storia Di Un Demone Creepyfact (Giugno 2019).

Anonim

Il demone di Maxwell è un'ipotetica entità che il fisico James Clerk Maxwell evocò in uno dei suoi esperimenti sul pensiero intorno al 1871. L'esperimento mentale consisteva in un apparato che estraeva il lavoro da un sistema isolato, nonostante esistesse in un equilibrio, a una temperatura uniforme.

Fondamentalmente, l'entità nozionale di Maxwell è una sorta di deus ex machina che contraddice o ha abilmente escogitato un modo per aggirare quella che è la legge più fondamentale e indiscutibile dell'universo: la seconda legge della termodinamica. Naturalmente, la nozione di estrarre lavoro o energia da apparentemente nulla ha sconcertato i suoi colleghi - sicuramente questo potrebbe significare la fine di alimentare instancabilmente il carbone con un famelico motore a vapore? Un pranzo gratis!

Non è così fondamentale ora?

Beh, non proprio. Per capire come funziona, dobbiamo prima capire cosa comporta la legge e perché scoprire una scappatoia fa cenno a una sommossa.

Sistemi isolati e la seconda legge della termodinamica

(Credito fotografico: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

La legge governa la direzione del flusso di calore tra due oggetti o regioni che sono incongruenti in termini di temperatura. Si afferma che due corpi di temperature diverse, quando si conoscono e isolati dall'ambiente circostante, evolveranno in un equilibrio termodinamico in cui entrambi i corpi hanno approssimativamente la stessa temperatura. Perché ciò avvenga, si può dedurre logicamente che il calore deve fluire dall'oggetto della temperatura più alta all'oggetto della temperatura più bassa.

Tuttavia, il calore può fluire nella direzione opposta, a condizione che sia assistito da un altro sistema (sistema non isolato).

Pensa a questo scambio come lo scambio d'acqua tra due secchi. Qui, la nozione di temperatura può essere rappresentata dalla quantità di acqua contenuta in un secchio. Un oggetto di temperatura più elevata viene quindi illustrato da un secchio con più acqua mentre un oggetto di temperatura inferiore da un secchio con meno acqua.

Se i secchi sono ora congiunti con un tubo stretto, come mostrato nella figura sotto, osserverai che l'acqua scorrerà dal secchio contenente più acqua nell'acqua adiacente finché l'acqua non si livella con l'apertura. Ora nessuna acqua continuerà a scorrere, questo segna l'inizio dell'equilibrio. Si noti che questa impostazione rappresenta un sistema isolato.

Ora, l'acqua può anche fluire nella direzione opposta: dal secchio impoverito a quello pieno, ma può essere raggiunta solo facendo un lavoro sul primo: o inclinandolo a un livello tale che l'acqua scorre attraverso lo stretto tunnel o riempiendolo con l'acqua in eccesso da un terzo secchio, in entrambi i casi con l'aiuto esterno. Questa impostazione rappresenta un sistema non isolato.

Questo è evidente in frigoriferi o condizionatori d'aria dove si ottiene una brezza fresca a scapito del calore di un altro sistema: il condensatore.

La legge può anche essere definita in termini di entropia, misura del disordine statistico o casualità di un sistema. In termini di casualità, in un sistema isolato, l'entropia aumenterà solo. D'altra parte, in un sistema non isolato, assistendo a un processo reversibile, l'entropia è una costante. Tuttavia, ancora una volta, la costanza viene a scapito dell'ambiente circostante - il calore esiliato aggiunge entropia all'entropia come un intero dell'Universo. L'aumento di entropia rappresenta l'irreversibilità dei processi naturali.

Quindi, estrarre energia da un sistema in equilibrio è impossibile, ma come fa il diavolo a farlo?

Maxwell's Demon - The Loophole

Ciò è contrario alla convenzione secondo cui le particelle di un gas a temperatura costante viaggiano alla stessa velocità. Tuttavia, questa stessa velocità è la loro velocità media, il che significa che ci sono particelle che viaggiano più velocemente di così e particelle che viaggiano più lentamente, negandosi a vicenda in media.

Con questo semplice processo, in seguito tutte le particelle ad alta energia vengono messe all'angolo in una camera. Il demone ha alzato la temperatura di una camera in confronto all'altro. Questa eccessiva temperatura o pressione può essere utilizzata per alimentare una turbina o spingere un pistone, sì, per nulla percettibilmente . Per dirla in un altro modo, il demone ha diminuito l'entropia senza alcuna spesa di lavoro!

Maxwell pensò a questa sensazionale idea dopo che gli era stato proibito di entrare in un club, perché era un nerd.

È imperativo rendersi conto che il demone nei suoi modi insidiosi ha contraddetto la legge dell'entropia, ma non ha ancora violato la legge di conservazione dell'energia. Ha semplicemente ridistribuito l'energia cinetica casuale per generare una differenza di pressione, tale che l'energia può essere raccolta da un sistema inizialmente equilibrato! Il sotterfugio del demone ha ingannato la natura stessa.

Può esistere un apparato come questo?

A volte sento che il padre del mio frigo è troppo duro con lui.

Allo stesso modo, se il demone è una macchina molto avanzata che cerca selettivamente determinate particelle, sorge la domanda da dove prende la sua energia per fare il lavoro? E anche se così fosse, l'estensione riguardante l'efficienza termica di una macchina continua a negare la possibilità di una diminuzione dell'entropia.

Il demone o la macchina dovrebbero acquisire informazioni riguardanti le particelle, per esempio, diciamo rivelando i fotoni. Nel processo di interazione con loro, un meccanismo complesso come questo inevitabilmente consuma energia e assorbire un po 'di calore stesso, aumentando così l'entropia della rete al valore iniziale.

L'essenza dell'argomento è che, con il calcolo, qualsiasi demone deve "generare" più entropia che segrega le molecole di quanto non possa mai sradicare dai principi su cui è basata. Cioè, ci vorrebbe più lavoro termodinamico per rilevare la velocità delle molecole e permettere loro selettivamente di passare attraverso l'apertura tra le camere rispetto alla quantità di energia guadagnata dalla differenza di temperatura causata dal processo.

Dopo tutto è detto e fatto, bisogna apprezzare l'astuzia di Maxwell. Tuttavia, se non fosse per la prima legge, nessuno potrebbe salvare la seconda legge dall'essere pubblicamente mortificata. Dopo tutto non ci sono pranzi gratuiti!