Maxwellov démon nebo jak obejít druhý zákon termodynamiky

Dobrý den, vážení hosté a předplatitelé mého kanálu. Dnes s vámi chci mluvit o takzvaném Maxwellově démonovi, který vznikl při diskusi o druhém zákonu termodynamiky. Pojďme tedy začít.

Nejen ve sci-fi románech najdete nějaké neobvyklé stvoření, ale dokonce i ve zdánlivě extrémním zdaleka od fikce se ukázalo, že věda jako fyzika má místo pro neobvyklá a dokonce fantastická stvoření, jako např démoni.

Snad nejslavnějším takovým tvorem byl takzvaný Maxwell Demon, který vytvořil sám James Clerk Maxwell, tvůrce Maxwellovy soustavy rovnic. A on (démon) byl vynalezen během aktivní debaty o druhém zákonu termodynamiky.

Co říká druhý zákon termodynamiky?

Podle druhého zákona dynamiky má tedy dostatek formulací, ale fyzický význam je stejný: systém, izolovaně, neschopný samostatně přecházet z méně uspořádaného stavu do více uspořádaného Stát.

Představme si například určitý objem plynu, kde se molekuly pohybují různými rychlostmi. Podle druhého zákona není plyn schopen samostatně se rozdělit na dvě poloviny, kde jedna bude obsahovat plyn s molekulami nízké rychlosti a druhá bude obsahovat plyn s molekulami vysoké rychlosti.

Velké množství procesů je také klasifikováno jako reverzibilní. Například běžnou vodu lze zmrazit a po rozmrazení lze znovu získat kapalnou vodu.

Kov lze magnetizovat i demagnetizovat. Existují také nevratné procesy, například spalování něčeho. Ale všechny tyto procesy podle druhého zákona termodynamiky povedou buď k uchování, nebo ke snížení stupně uspořádání systému.

Tato situace pronásledovala a narušovala vědecké mysli 19. století. A právě v této době formuloval Maxwell své netriviální řešení, které, jak se tehdy zdálo, umožnilo elegantně obejít druhý zákon termodynamiky a zabránit nevyhnutelnému nárůstu chaosu v uzavřeném Systém.

Provedl takový myšlenkový experiment.

Myšlenkový experiment nebo jak se objevil Maxwellov démon

Podstata Maxwellova experimentu:

Představte si kontejner rozdělený na dvě stejné poloviny. Navíc v přepážce (která rozděluje nádobu na dvě identické části a je stále absolutně nepropustná pro plyn) jsou mikroskopické otevírací dveře, které mohou nechat projít pouze jeden atom plynu najednou.

Zároveň je jedna polovina nádoby zcela naplněna plynem a druhá je naplněna čistým vakuem.

Nyní si mentálně představme, že tomuto dvířku kontrolního bodu je představen mikroskop, který pozoruje molekuly plynu nejintentnějším způsobem.

A zároveň (hlídač) otevře průchod pro rychlé molekuly a nechá je vakuem vpustit do druhé poloviny nádoby a ty nedostatečně vysokorychlostní nechá tam, kde byly.

Je logické, že pokud práce kontrolního bodu s hlídačem trvá značnou dobu, pak se plyn rozdělí na dvě části. Jeden bude mít chlazený plyn s pomalými molekulami a druhý bude mít horký plyn s molekulami horkého plynu.

Systém bude tedy uspořádán ve vztahu k počátečnímu stavu, a tím bude porušen druhý zákon termodynamiky.

Získaná teplotní nerovnováha je navíc docela přijatelná pro získání práce (podle Cycleovy a Carnotovy věty).

A to znamená, že pokud notoricky známý hlídač zůstane na kontrolním stanovišti neomezenou dobu, pak nedostaneme nic jiného než stroj na neustálý pohyb.

Byl to právě tento hlídač-kontrolor, kterému ostatní vědci říkali Démon z Maxwellu. A zdálo se, že v tomto experimentu bylo vzato v úvahu všechno, a ach, jak by to neublížilo věčnému pohybovému stroji. Existuje však jeden významný háček.

V čem je problém démona Maxwella

Téměř od začátku byl myšlenkový experiment zpochybňován, a zde je důvod, proč:

Pro nekonečnou práci démonického strážce je vyžadován přísun energie ve formě proudu fotonů, který je nezbytný pro osvětlení a prosévání přicházejících molekul.

Také při třídění molekul nemůže démon interagovat s molekulami, což znamená, že sami získají tepelnou energii z plynu. To znamená, že entropie se nevyhnutelně zvýší.

A celková entropie takového systému se nijak nesníží. To znamená, že nedojde k porušení druhého zákona.

Významný protiargument proti existenci Maxwellova démona přišel po zrodu kvantové mechaniky.

Aby mohl hlídač správně třídit přicházející molekuly plynu, musí přesně měřit jejich rychlost, což je podle Heisenbergovy nejistoty v zásadě nemožné. Podle stejného principu také nelze určit přesnou polohu molekuly.

A to znamená, že nevyhnutelně některé z molekul, před kterými budou dveře otevřeny, to minou.

To znamená, že Maxwellov démon je v podstatě makroskopický slon v porcelánu mikrosvěta, žijící podle svých vlastních pravidel.

A pokud je on (hlídač démonů) představen v souladu se zákony kvantové mechaniky, pak nebude schopen třídit molekuly. Proto není pro druhý zákon termodynamiky nebezpečný.

Takto bylo zničeno mýtické stvoření fyziky, démon Maxwell.

Pokud se vám materiál líbil, nezapomeňte jej ohodnotit, jak si přejete, a také se přihlásit k odběru.

Děkujeme za přečtení až do konce!