Aan het einde van de 19e eeuw stelde de Britse natuurkundige James Maxwell een gedachte-experiment voor dat schijnbaar in strijd is met de wetten van de thermodynamica. Als gevolg hiervan werd het centrale personage van dit experiment de demon van Maxwell genoemd. Laten we proberen erachter te komen wat opmerkelijk is aan deze fictieve entiteit.
Maxwell's Demon is een hypothetische entiteit voorgesteld door James Clerk Maxwell in een van zijn gedachte-experimenten, vermoedelijk in 1871.
Wat hebben de demon en Maxwell ermee te maken? Over het algemeen is de door Maxwell voorgestelde essentie een soort tegenstrijdige god uit de machine, zou je kunnen zeggen, die een manier ontdekte om een van de meest fundamentele en onbetwistbare wetten van het heelal te omzeilen - de tweede wet van de thermodynamica. Aanvankelijk namen de collega's van de wetenschapper het gedachte-experiment niet serieus en raakten zelfs in de war, omdat deze "essentie" zou kunnen betekenen dat je eindelijk de verspilling van steenkool kunt vergeten en gewoon eindeloos een baan kunt krijgen, eigenlijk vanuit het niets.
En nu zullen we proberen erachter te komen waarom Maxwell's demon aan het einde van de 19e eeuw verbijstering veroorzaakte bij de beroemdheden van de wetenschap.
Maxwells demon - een maas in de entropie
Maxwells gedachte-experiment werd oorspronkelijk genoemd in de correspondentie van de wetenschapper met Peter Tate rond 1867. Het werd later aan het publiek voorgesteld in Maxwell's boek over thermodynamica genaamd Theory of Heat, gepubliceerd in 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
Promotie video:
Ondanks het feit dat Maxwell zelf nooit het woord 'demon' gebruikte bij het beschrijven van het experiment, opende zijn agent de deur (in de scheidingswand in onze gasbak) tussen de kamers als een 'beperkt wezen'. Deze entiteit werd voor het eerst "demon" genoemd door William Thomson, bekend als Lord Kelvin, om Maxwell's agent in Nature in 1874 te beschrijven. Als rechtvaardiging voerde hij aan dat hij het bemiddelende karakter van de essentie op deze manier wilde benoemen en in geen geval zou focussen op de negatieve connotatie van het woord zelf.
Dus terug naar het experiment. Dit is in de eerste plaats een gesloten systeem. Het voorgestelde apparaat bestaat uit een eenvoudig blok, dat een willekeurig gas bevat. De balk is verdeeld in twee gelijke delen met dezelfde, uniforme temperatuur. Op de muur die de sectie verdeelt, zit een demon zorgvuldig willekeurig verspreide deeltjes op te pikken, zodat alle deeltjes met hoge kinetische energie in één sectie worden verzameld, terwijl de rest - met lage kinetische energie - in een andere blijft.
We kunnen zeggen dat deze demon een metafoor is voor een apparaat of een machine die in staat is om de snelheid of kinetische energie van elk deeltje in een container zorgvuldig te analyseren. Op basis van zijn analyse kan de aanpassing precies bepalen welke deeltjes het grofweg voor zichzelf moet houden en welke - verwijderen.
Links: twee secties gevuld met gas. Rechts: Maxwells demon opent en sluit de deur in de scheidingswand tussen secties / J. Hirshfield.
Dit is ondertussen in tegenspraak met de algemeen aanvaarde mening dat gasdeeltjes bij een constante temperatuur met dezelfde snelheid bewegen. Niettemin is dezelfde snelheid hun gemiddelde snelheid, wat betekent dat er deeltjes met een hogere snelheid bewegen en dat er deeltjes met een lagere snelheid bewegen, waardoor alles wordt teruggebracht tot een gemiddelde waarde.
Door dit proces - de acties van de demon Maxwell - worden vervolgens alle hoogenergetische deeltjes in één sectie gedreven. De demon verhoogde de temperatuur van het ene deel van de doos in vergelijking met het andere. Deze te hoge temperatuur of druk kan worden gebruikt om de turbine of zuiger aan te drijven. Ja, daaruit volgt dat we energie halen uit letterlijk niets. Met andere woorden, de demon heeft de entropie verminderd zonder enige moeite.
Het is echter noodzakelijk om te begrijpen dat de sluwe demon zijn trucs gebruikte en als gevolg daarvan de wet van entropie kon tegenspreken, maar hij schond de wet van behoud van energie niet. Hij verdeelde eenvoudig willekeurige kinetische energie om een drukverschil te creëren dat voldoende is om energie te halen uit een aanvankelijk gebalanceerd systeem. De sluwheid van de demon heeft de natuur zelf bedrogen!
Kan zo'n apparaat bestaan?
Hoe het ook zij, zo'n apparaat kan in werkelijkheid niet worden gemaakt. De natuur laat zich niet gemakkelijk misleiden. Natuurlijk was de sluwe en slimme demon in staat om de onderdrukkende sancties van de tweede wet van de thermodynamica te vermijden, maar hij kan niet ontsnappen aan het alziende oog van de eerste wet van de thermodynamica.
Volgens de eerste wet van de thermodynamica kan geen enkele machine functioneren zonder warmtebron, en tijdens het werk kan ze deze ook gedeeltelijk absorberen. Of de procesprestaties zullen nooit 100 procent bereiken. Machines hebben de prikkel niet alleen nodig in de vorm van warmte, ze moeten deze ook opnemen en daarmee hun eigen temperatuur verhogen.
De omzetting van thermische energie in mechanische energie in stoommachines is niet absoluut. Een deel van de warmte wordt door de motor zelf geabsorbeerd, waardoor de algehele prestaties afnemen en de entropie eromheen toeneemt.
Als de demon een hightech machine is die selectief bepaalde deeltjes volgt, rijst de vraag: waar haalt hij energie vandaan om zijn werk te doen? Zelfs als hij dit op de een of andere manier voor elkaar krijgt, ontkent de expansie in relatie tot de thermische prestatie van de machine nog steeds de mogelijkheid van een afname van entropie.
De overgang van een gesloten systeem van lage entropie naar hoog / Socratisch.
Een demon of machine zou informatie over de deeltjes moeten krijgen. Neem bijvoorbeeld fotonen. In het proces van interactie met hen zal een complex apparaat zoals de demon van Maxwell onvermijdelijk energie verbruiken en een deel van de warmte zelf absorberen, waardoor de totale entropie toeneemt en teruggebracht wordt naar zijn oorspronkelijke waarde.
Het punt van het argument is dat, volgens berekeningen, elke demon onvermijdelijk meer entropie zal "genereren" door moleculen te scheiden dan hij het ooit kan "vernietigen" - dit is consistent met de principes waarop hij is gebaseerd. Met andere woorden, er zou veel meer thermodynamisch werk nodig zijn om de snelheid van moleculen te bepalen en ze te selecteren om door de deur tussen secties te gaan dan de hoeveelheid energie die wordt gewonnen uit het temperatuurverschil dat is ontstaan na het werk.
Hoe het ook zij, er moet worden opgemerkt dat Maxwell erg sluw was. Maar als de eerste wet van de thermodynamica er niet was geweest, had niets de tweede wet van publieke schaamte kunnen redden.
Vladimir Guillen
