Физика

Демон Максвелла: устройство, которое нарушает второй закон термодинамики

328
4 дня назад
Екатерина

Чтобы понять суть этого эксперимента, нужно вспомнить 2 начала термодинамики. Первое совсем элементарное и говорит о том, что теплота, переданная некоей конфигурации, идет на изменение внутренней энергии и функционирование этого тела. На основе этого закона работает двигатель внутреннего сгорания, котел и даже обыкновенный электрочайник, который есть в каждом доме.

Второй закон термодинамики говорит, что энтропия замкнутой системы неспособна становиться меньше, то есть она либо становится больше, либо постоянна в своем максимальном положении. Есть упрощенное объяснение этого закона: тепло не может самопроизвольно перемещаться от менее нагретого объекта к более нагретому. 

Чтобы лучше это понять, необходимо определиться с термином «энтропия». Это некая величина, которая характеризует хаос замкнутой системы. Чем больше температура какой-либо замкнутой системы, тем выше ее энтропия.

Второй закон был сформулирован в XIX в., тогда он характеризовал ряд частных случаев. Фундаментальный же его характер стал ясен немного позже, ученые искали в нем несостыковки, и одну из них представил физик Дж. Максвелл.

Вообразите некую замкнутую систему, к примеру, аквариум, который герметично разделен на 2 части с помощью водонепроницаемой перегородки. В каждой из частей находятся газовые частицы. Барьер имеет маленькое отверстие, размер которого соответствует размеру каждой молекулы.

Представьте, что еще есть некое отверстие, способствующее пролету быстрых горячих частиц из левой части емкости в правую, а медленным холодным частицам — из правого подразделения в левое. Пройдет время, и горячие быстрые частицы переместятся в правую часть, холодные будут там, где были изначально. Такое устройство было названо «демоном Максвелла». Но что же в нем такого демонического? А то, что он противоречит второму началу термодинамики, понижает энтропию закрытой системы.

На самом деле второе начало, в том числе и благодаря этому вымышленному демону, вызвало резонанс, в котором участвовало большое количество физиков. Сейчас вопросов уже гораздо меньше, например, благодаря принятому принципу неопределенности. В момент, когда частица подлетает к отверстию, невозможно точно определить ее импульс по причине неопределенности, а о ее скорости можно говорить, не зная ее координат.

В середине прошлого столетия Р. Ландауэром был сформулирован еще один занимательный принцип, который начинает интерпретировать в очень интересном свете демона Максвелла. Он говорит о том, что в любой ЭВМ, вне зависимости от ее физической реализации, при потере бита данных выделяется тепло. Представим, что демон Максвелла — автоматическая вычислительная система, производящая побитовую обработку полученных данных о скорости и координатах движущихся частиц. Приняв или отклонив одну из них, она должна совершить сброс прежних упорядоченных данных, а это равнозначно увеличению энтропии на количество, идентичное уменьшению энтропии вследствие организации газа при пропускании или отклонении частицы, информация о которой удалена из оперативной памяти.

Не стоит забывать, что и само устройство тоже нагревается при эксплуатации, поэтому и в такой замкнутой моделе, состоящей из емкости с газом и автоматической пропускающей системы, энтропия не уменьшается, поэтому условия второго закона выполняются. А это значит, что демон, предназначенный для несостоятельности второго начала, еще раз его подтвердил.

Самое интересное

Технологии

Почему больше не придется заряжать телефоны, видеокамеры и ноутбуки

Ученые создали самозаряжающийся электролит на замену литий-ионных батареек. Литий-ионные аккумуляторы за годы существования стали очень популярны, так как почти все бытовые и не только приборы оснащаются этими компактными...
Технологии

Видео: изобретения, которые могли изменить жизнь людей, но оказались под запретом

Человечество не перестает решать новые технологические задачи, периодически создавая полезные изобретения. Многие из них входят в нашу жизнь, упрощая ее, другие по каким-либо причинам остаются незамеченными,...
Хочешь выучивать по 10 английских слов в день?
Выбирай верные определения слов и продвигайся в рейтинге игроков.Чем больше слов запоминаешь, тем выше результат!
Играть!
ВходРегистрация

Вход

или

Регистрация