Alla fine del XIX secolo, il fisico britannico James Maxwell propose un esperimento mentale che apparentemente viola le leggi della termodinamica. Di conseguenza, il personaggio centrale di questo esperimento è stato chiamato il demone di Maxwell. Proviamo a capire cosa c'è di straordinario in questa entità fittizia.
Maxwell's Demon è un'entità ipotetica proposta da James Clerk Maxwell in uno dei suoi esperimenti mentali, presumibilmente nel 1871.
Cosa c'entrano il demone e Maxwell? In generale, l'essenza proposta da Maxwell è una sorta di dio contraddittorio dalla macchina, si potrebbe dire, avendo scoperto un modo per aggirare una delle leggi più fondamentali e indiscutibili dell'Universo: la seconda legge della termodinamica. Inizialmente, i colleghi dello scienziato non hanno preso sul serio l'esperimento mentale ed erano persino confusi, perché questa "essenza" potrebbe significare che puoi finalmente dimenticare di sprecare carbone e ottenere un lavoro senza fine, in effetti, dal nulla.
E ora proveremo a capire perché il demone di Maxwell ha causato sconcerto tra i luminari della scienza alla fine del 19 ° secolo.
Il demone di Maxwell: una scappatoia nell'entropia
L'esperimento mentale di Maxwell fu originariamente menzionato nella corrispondenza dello scienziato con Peter Tate intorno al 1867. Successivamente fu presentato al pubblico nel libro di Maxwell sulla termodinamica chiamato Theory of Heat, pubblicato nel 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Video promozionale:
Nonostante il fatto che Maxwell stesso non abbia mai usato la parola "demone" per descrivere l'esperimento, il suo agente ha aperto la porta (nella partizione nella nostra scatola del gas) tra le camere come un "essere limitato". Questa entità fu chiamata per la prima volta "demone" da William Thomson, noto come Lord Kelvin, per descrivere l'agente di Maxwell in Natura nel 1874. A titolo di giustificazione, ha sostenuto di voler designare la natura mediatrice dell'essenza in questo modo e in nessun caso avrebbe enfatizzato la connotazione negativa della parola stessa.
Quindi torniamo all'esperimento. Questo è principalmente un sistema chiuso. L'apparato proposto è costituito da un semplice parallelepipedo, che contiene un gas arbitrario. Il parallelepipedo è diviso in due sezioni di uguale dimensione con la stessa temperatura uniforme. Sul muro che divide la sezione, un demone siede, raccogliendo con cura particelle sparse in modo casuale in modo che tutte le particelle con alta energia cinetica vengano raccolte in una sezione, mentre il resto - con bassa energia cinetica - rimanga in un'altra.
Possiamo dire che questo demone è una metafora di un dispositivo o di una macchina in grado di analizzare attentamente la velocità o l'energia cinetica di ogni particella in qualsiasi contenitore. Sulla base della sua analisi, l'adattamento può determinare esattamente quali particelle dovrebbe, in parole povere, tenere per sé e quali - eliminare.
A sinistra: due sezioni riempite di gas. A destra: il demone di Maxwell apre e chiude la porta nel divisorio tra le sezioni / J. Hirshfield.
Nel frattempo, questo contraddice l'opinione generalmente accettata che le particelle di gas a una temperatura costante si muovano con la stessa velocità. Tuttavia, questa stessa velocità è la loro velocità media, il che significa che ci sono particelle che si muovono a una velocità maggiore e ci sono particelle che si muovono a una velocità inferiore, riducendo tutto a un valore medio.
Attraverso questo processo - le azioni del demone Maxwell - tutte le particelle ad alta energia vengono successivamente guidate in una sezione. Il demone ha alzato la temperatura di una parte della scatola rispetto all'altra. Questa temperatura o pressione in eccesso può essere utilizzata per alimentare la turbina o il pistone. Sì, ne consegue che otteniamo energia letteralmente dal nulla. In altre parole, il demone ha ridotto l'entropia senza spendere alcuno sforzo.
È necessario capire, tuttavia, che l'astuto demone ha applicato i suoi trucchi e, di conseguenza, è stato in grado di contraddire la legge dell'entropia, ma non ha violato la legge di conservazione dell'energia. Ha semplicemente ridistribuito l'energia cinetica casuale per creare un differenziale di pressione sufficiente per trarre energia da un sistema inizialmente bilanciato. L'astuzia del demone ha ingannato la natura stessa!
Può esistere un tale apparato?
Comunque sia, un tale apparato non può essere creato nella realtà. La natura non si lascia ingannare facilmente. Certamente, il demone astuto e intelligente è stato in grado di evitare le sanzioni oppressive della seconda legge della termodinamica, ma non può sfuggire all'occhio che tutto vede della prima legge della termodinamica.
Secondo la prima legge della termodinamica, nessuna macchina è in grado di funzionare senza una fonte di calore e nel processo di lavoro può anche assorbirla parzialmente. Oppure, le prestazioni del processo non raggiungeranno mai il 100 percento. Le macchine non solo hanno bisogno dello stimolo sotto forma di calore, ma devono anche assorbirlo, aumentando così la propria temperatura.
La conversione dell'energia termica in energia meccanica nei motori a vapore non è assoluta. Parte del calore viene assorbita dal motore stesso, riducendo le prestazioni complessive e aumentando l'entropia che lo circonda.
Se il demone è una macchina ad alta tecnologia che traccia selettivamente determinate particelle, sorge la domanda: da dove trae energia per svolgere il suo lavoro? Anche se in qualche modo riesce a farlo, l'espansione in relazione alle prestazioni termiche della macchina nega ancora la possibilità di una diminuzione dell'entropia.
La transizione di un sistema chiuso da bassa ad alta entropia / socratico.
Un demone o una macchina dovrebbero ottenere informazioni sulle particelle. Prendi i fotoni, per esempio. Nel processo di interazione con loro, un apparato complesso come il demone di Maxwell inevitabilmente spenderà energia e assorbirà parte del calore stesso, aumentando l'entropia totale e riportandola al suo valore originale.
Il punto dell'argomentazione è che, secondo i calcoli, qualsiasi demone inevitabilmente "genererà" più entropia separando le molecole di quanta ne possa mai "distruggere" - questo è coerente con i principi su cui si basa. In altre parole, ci vorrebbe molto più lavoro termodinamico per determinare la velocità delle molecole e selezionarle per passare attraverso la porta tra le sezioni rispetto alla quantità di energia guadagnata dalla differenza di temperatura che si è creata dopo il lavoro svolto.
Comunque sia, va notato che Maxwell era molto astuto. Tuttavia, se non fosse stato per la prima legge della termodinamica, nulla avrebbe salvato la seconda legge dalla pubblica vergogna.
Vladimir Guillen
