Est-il possible de violer la deuxième loi de la thermodynamique ?
Dans la science comme dans la fiction, il existe des personnages fantastiques. La plupart d’entre eux ont peut-être été inventés lors de la discussion sur la deuxième loi de la thermodynamique. Le plus populaire d'entre eux était le démon de Maxwell, inventé par James Clerk Maxwell, l'auteur du célèbre système d'équations de Maxwell, qui décrit complètement les champs électromagnétiques. La deuxième loi (ou loi) de la thermodynamique a de nombreuses formulations dont la signification physique est cependant identique : un système isolé ne peut pas passer spontanément d'un état moins ordonné à un état plus ordonné. Ainsi, un gaz constitué de molécules se déplaçant à des vitesses différentes ne peut pas se diviser spontanément en deux parties, dans l'une desquelles les molécules se déplacent en moyenne plus vite que la vitesse statistique moyenne et dans l'autre, plus lentement.
De nombreux processus physiques entrent dans la catégorie réversible. L'eau, par exemple, peut être gelée et la glace résultante peut être à nouveau fondue, et nous obtiendrons de l'eau dans le même volume et dans le même état ; le fer peut être magnétisé puis démagnétisé, etc. Dans ce cas, l'entropie (degré d'ordre) du système aux points de départ et d'arrivée du processus reste inchangée. Il existe également des processus irréversibles au sens thermodynamique - combustion, réactions chimiques, etc. Autrement dit, selon la deuxième loi de la thermodynamique, tout processus conduit finalement soit à maintenir, soit à réduire le degré d'ordre du système. Cette situation disharmonieuse a grandement intrigué les physiciens de la seconde moitié du XIXe siècle, puis Maxwell a proposé une solution paradoxale qui permettrait apparemment de contourner la deuxième loi de la thermodynamique et d'inverser la croissance constante du chaos dans un système fermé. Il a proposé « l’expérience de pensée » suivante : imaginez un conteneur scellé divisé en deux par une cloison étanche aux gaz, dans lequel se trouve une seule porte de la taille d’un atome de gaz. Au début de l’expérience, la partie supérieure du récipient contient du gaz et la partie inférieure contient un vide complet.
Imaginons maintenant qu’un certain gardien microscopique soit affecté à la porte, surveillant avec vigilance les molécules. Il ouvre la porte aux molécules rapides et les laisse passer à travers la cloison, dans la moitié inférieure du récipient, et laisse les molécules lentes dans la moitié supérieure. Il est clair que si un tel mini-gardien reste assez longtemps à la porte, le gaz se divisera en deux moitiés : en haut il y aura un gaz froid constitué de molécules lentes, et en bas il y aura un gaz chaud. de molécules rapides vont s’accumuler. Ainsi, le système sera ordonné par rapport à l'état initial et la deuxième loi de la thermodynamique sera violée. De plus, la différence de température peut être utilisée pour obtenir du travail ( cm. Cycle et théorème de Carnot). Si un tel gardien reste en service pour toujours (ou si un quart de travail est organisé), nous obtiendrons une machine à mouvement perpétuel.
Ce drôle de gardien, surnommé « le démon de Maxwell » par les collègues spirituels du scientifique, vit toujours dans le folklore scientifique et excite l’esprit des scientifiques. En effet, une machine à mouvement perpétuel ne nuirait pas à l’humanité, mais voici le problème : apparemment, pour que le démon de Maxwell fonctionne, il aura lui-même besoin d’un apport d’énergie sous la forme d’un afflux de photons nécessaire pour éclairer les molécules qui s’approchent et les tamiser. De plus, lors du tamisage des molécules, le démon et la porte ne peuvent s'empêcher d'interagir avec elles, de sorte qu'ils en recevront eux-mêmes régulièrement de l'énergie thermique et augmenteront leur entropie, ce qui entraînera l'entropie totale du système. ne diminuera toujours pas. Autrement dit, grâce à cette explication, la menace théorique pesant sur la deuxième loi de la thermodynamique a été évitée, mais pas de manière inconditionnelle.
Le premier contre-argument véritablement convaincant a été formulé peu après la naissance de la mécanique quantique. Pour trier les molécules qui s'approchent, le démon doit mesurer leur vitesse, mais il ne peut pas le faire avec suffisamment de précision en raison du principe d'incertitude de Heisenberg. De plus, en raison du même principe, il ne peut pas déterminer avec précision l'emplacement de la molécule dans l'espace, et certaines des molécules devant lesquelles il ouvre la porte microscopique manqueront la porte. En d’autres termes, le démon de Maxwell se révèle être un taureau macroscopique dans un microcosme de porcelaine, qui vit selon ses propres lois. Mettez le démon en conformité avec les lois de la mécanique quantique, et il sera incapable de trier les molécules de gaz et cessera tout simplement de constituer une menace pour la deuxième loi de la thermodynamique.
Un autre argument convaincant contre la possibilité de l’existence d’un gardien démon est apparu déjà à l’ère informatique. Supposons que le démon de Maxwell soit un système informatique de contrôle automatisé de l'ouverture des portes. Le système effectue un traitement bit par bit des informations entrantes sur la vitesse et les coordonnées des molécules qui s'approchent. Après avoir passé ou rejeté une molécule, le système doit réinitialiser les informations ordonnées précédemment - ce qui équivaut à une augmentation de l'entropie d'un montant égal à la diminution de l'entropie résultant de l'ordre du gaz lors du passage ou du rejet d'une molécule, informations sur lesquelles a été effacé de la RAM du démon informatique. De plus, l'ordinateur lui-même chauffe également, de sorte que dans un tel modèle dans un système fermé composé d'une chambre à gaz et d'un système d'accès automatisé, l'entropie ne diminue pas et la deuxième loi de la thermodynamique est satisfaite.
C'est dommage pour le démon, c'était un personnage sympa.
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Une explication étonnamment impuissante de l’impossibilité du Démon de Maxwell !
L’argument sur l’incertitude quantique du monde est utilisé comme argument ! Par conséquent, l’auteur n’a aucun argument contre l’impossibilité de l’existence d’un démon dans un monde thermodynamique modèle constitué uniquement de particules mécaniques. Après tout, si le monde est constitué de particules mécaniques, cela n'a aucun sens de dire que le démon va « chauffer », qu'il doit « éclairer » les particules pour déterminer s'il doit ouvrir la cloison, etc.
L’idée simple selon laquelle un démon mécanique n’a pas besoin d’éclairer ou d’interagir avec des particules n’est pas venue à l’esprit du professeur. Le démon peut, connaissant l'impulsion initiale et les coordonnées de toutes les particules dans le récipient, simplement calculer les moments où une particule rapide vole jusqu'à la cloison et l'ouvre. De plus, lors de collisions élastiques, aucun échauffement ne se produit ; par conséquent, l'entropie du démon n'augmente pas.
En général, la racine des difficultés du professeur et de toute la physique moderne réside dans le manque de clarté des idées sur l’entropie. Les physiciens insistent sur le fait qu’il s’agit d’une catégorie objective, alors que sa définition inclut le concept subjectif de « désordre », de « mesure du désordre ». Il n’existe aucune mesure objective du désordre.
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> Une explication stupéfiante par son impuissance... l'argument de l'incertitude quantique du monde est invoqué !
Vous pensez peut-être que l’explication est impuissante, mais cela ne change rien au fait qu’elle est correcte. L'impossibilité du démon de Maxwell est directement liée à l'incertitude quantique.
> Le démon peut, connaissant les impulsions initiales et les coordonnées de toutes les particules présentes dans le vaisseau, calculer simplement les moments où une particule rapide vole jusqu'à la cloison et l'ouvre.
Le démon ne peut rien savoir de tel. ET raison principale Il s’agit ici précisément d’incertitude quantique. Mais même sans cela, dans un monde purement mécanique, une prédiction précise des trajectoires du mouvement moléculaire s'avère impossible en raison de l'effet de divergence exponentielle des trajectoires, étudiée dans la théorie du billard mathématique. Une erreur arbitrairement petite dans la connaissance des positions initiales dépasse toute valeur donnée en peu de temps.
Il y a une autre raison. Pour qu'un démon puisse suivre toutes les positions des molécules, il doit disposer d'une mémoire suffisante et être capable de modifier son contenu en fonction des résultats de son influence sur les molécules. La mémoire est un périphérique physique et possède une entropie. Les calculs montrent que l'entropie accumulée par cette mémoire compense tout juste (ou dépasse) sa diminution dans le gaz. (Tous les calculs ont été donnés dans l’un des articles de la revue « In the World of Science » dans les années 1980, mais je ne peux pas donner de lien maintenant.)
> En général, la racine des difficultés du professeur et de toute la physique moderne réside dans les idées floues sur l’entropie.
L'entropie est en effet un concept complexe, mais dans ce problème particulier, tout est clair.
> Les physiciens insistent sur le fait qu'il s'agit d'une catégorie objective, alors que sa définition inclut la notion subjective de « désordre », de « mesure du désordre ».
Vous avez tort. La _définition_ de l'entropie n'inclut pas la notion de « désordre ». Il n'est utilisé que pour une explication populaire, et donc figurative et inexacte, de ce concept. Les définitions formelles de l'entropie (d'ailleurs, elles sont nombreuses) ne contiennent rien de tel. Voici, par exemple, les deux définitions les plus populaires de la physique :
L'entropie est une quantité proportionnelle au logarithme du nombre de microétats qui réalisent un macroétat dans lequel se trouve le système étudié (S = k*ln(W)).
Le gain d'entropie est l'énergie reçue par le système divisée par la température du système (dS = dQ/T).
Vous pouvez en savoir plus à ce sujet, par exemple ici : http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm. Dans cet article encyclopédique assez volumineux, la « mesure du désordre » n’est mentionnée qu’une seule fois, et c’était pour expliquer l’équation S = k*ln(W).
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>> L'impossibilité du démon de Maxwell est directement liée à l'incertitude quantique.... Le démon ne peut rien savoir de tel. Et la raison principale ici est précisément incertitude quantique... Pour qu'un démon puisse suivre toutes les positions des molécules, il doit disposer d'une mémoire suffisante et être capable de modifier son contenu en fonction des résultats de son influence sur les molécules. La mémoire est un périphérique physique et possède une entropie.
HaHa. Hahaha. Et le démon a aussi besoin de bras et de jambes pour ouvrir et fermer cette porte. Et il faut manger... Est-il vraiment possible que cette énigme soit encore résolue avec des excuses aussi vulgaires en utilisant des mots astucieux comme entropie, incertitude quantique... la mémoire d'un démon (!!!) C'est drôle pour Dieu.
Il n'y a pas de démon. Imaginons une pièce remplie de balles rebondissantes - idéalement élastiques et non sujettes au frottement (une analogie mécanique acceptable des molécules de gaz). D'un côté de la pièce se trouve une ouverture bloquée par une barrière d'une certaine hauteur. Les balles rebondissant au-dessus de cette barrière finiront par s'envoler hors de la pièce vers la pièce suivante, et dans la première pièce, seules les balles rebondissant lentement resteront. La barrière a-t-elle besoin de mémoire ou d'énergie, de photons, de muons, de bosons ou de synchrophasotrons ? A-t-il besoin de calculer une sorte d'entropie ou d'attirer des forces astrales ? Afin d'arrêter immédiatement les tentatives sur le thème « Les balles rapides reviendront de la pièce voisine », nous créerons un entonnoir dans la deuxième pièce à travers lequel les balles volent dans la troisième pièce, et il leur est difficile de revenir en arrière.
En électronique, l'effet barrière (les électrons avec une énergie supérieure à une certaine valeur sans pertes (!) franchissent la barrière, ceux qui n'en ont pas - ne passent pas, mais ne perdent pas non plus d'énergie) est connu depuis longtemps et est largement utilisé. Regardez sur Google - pour le développement général.
Le « paradoxe » de ces boules et, par conséquent, des vaisseaux maxwelliens est résolu très simplement : le fait même de trier les boules n'est pas un travail. Le travail consiste à utiliser (prendre) l’énergie des balles rapides. Et après avoir utilisé (retiré) l'énergie de la balle, nous la transformons en une balle lente - qui ne sautera plus par-dessus la barrière. Pour continuer le cycle, des balles fraîches sont nécessaires de l’extérieur.
>> Cela dit, je recommande que lorsque l'on discute de questions scientifiques... faites un peu moins confiance à vos fantasmes.
Et je vous recommande de ne pas faire référence à des superstitions stupides simplement parce qu'elles contiennent des mots intelligents et à la mode...Répondre
En fait, les systèmes complètement fermés n’existent pas dans la nature ; c’est une abstraction pour dériver des formules thermodynamiques. Et dans notre raisonnement, nous ne remarquons même pas à quel point nous nous dirigeons involontairement vers des systèmes ouverts. Et dans les systèmes ouverts, l'entropie doit être traitée comme suit les travaux d'Ilya Prigogine. Mais ce n’est pas le sujet maintenant.
Le démon de Maxwell brise l'étanchéité du système, même s'il se trouve à l'intérieur du vaisseau.
Premièrement, il a besoin d'un afflux d'énergie pour faire son travail (les batteries doivent être chargées), et deuxièmement, les informations qui sont embarquées dans ce robot (démon) sont également données à l'EXTÉRIEUR, c'est-à-dire qu'il y a un échange d'énergie et informations avec l’environnement extérieur.
Et dans ces conditions, le travail du démon pourrait bien apporter une solution au problème selon Maxwell : les molécules seront réparties en fonction de leurs vitesses. MAIS! Grâce à l’influence contrôlante d’un principe intelligent externe.
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Vous pouvez créer un démon mécanique de Maxwell qui laissera passer non pas des molécules, mais de petites particules plus rapides dans un mouvement brownien. Alors la mécanique quantique et la thermodynamique ne fonctionnent pas, seulement la mécanique, et tout dépend de la consommation d'énergie du démon pour fixer la particule, fermer la porte, et de la vitesse des particules elles-mêmes, qui dépend de la température de l'environnement.
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La loi de la thermodynamique dans cette expérience mentale de Maxwell est vraiment violée (AUTO-TRANSITION VERS UN ÉTAT PLUS ORDONNÉ !), mais il n'est pas nécessaire de se tromper à cause des coûts d'ouverture, de fermeture et de chauffage de la « vanne » (disons disons qu'il y a cette membrane-diode - c'est un problème de technologie, et non de physique théorique).
Ainsi, après avoir trié les molécules de la manière décrite ci-dessus, nous obtenons : la température des molécules rapides est supérieure à celle initiale, MAIS LA TEMPÉRATURE des molécules LENTES est PROPORTIONNELLEMENT INFÉRIEURE. Par conséquent, l'ordre général du système ne changera pas encore ici (sans compter les coûts du « trieur »). Disons qu'ils sont négligeables.
De plus, en utilisant l’énergie de molécules rapides, par exemple, pour effectuer un travail, nous abaisserons ainsi leur température, et donc la température globale de l’ensemble du système. Après avoir effectué ces manipulations avec le gaz un certain nombre de fois, nous finirons par nous rapprocher du zéro absolu et le processus d'extraction d'énergie de cette manière deviendra alors impossible. (Je ne vois donc pas clairement de quel type de machine à mouvement perpétuel nous parlons dans l'article). Alors, nous avons extrait de l'énergie, abaissé la température et augmenté considérablement la commande ? molécules dans ce système. (Ils ont également augmenté le volume de gaz – qu’est-ce qui ne va pas avec l’ordre ?).
Cela signifie qu’un système fermé peut s’auto-refroidir jusqu’à 0 (en échange de la libération d’une quantité d’énergie équivalente moins l’efficacité du « trieur »), c’est-à-dire passer à un environnement plus ordonné ? (et volume ?), et l'AUTO-TRANSITION VERS UN ÉTAT PLUS ORDONNÉ n'est pas autorisée par la 2ème loi de la thermodynamique.
Il me semble que la quantité d'énergie nécessaire pour créer les conditions initiales a également été libérée par le refroidissement. Mais l'ordre (en termes étrangers, l'entropie) n'a pas changé - il semble simplement être dans des unités et des volumes différents.
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>>Pour être honnête, il faut dire qu'il a d'abord fallu dépenser de l'argent (de l'énergie) pour créer un vide et un gaz clairement séparés, c'est-à-dire le système avait initialement de l'énergie et de l'ordre potentiels : (une région claire avec du gaz et du vide), et du coup, il y a du gaz partout, mais froid et d'un plus grand volume. Et comment mesurer cet ordre ?
Tout est beaucoup plus simple. Là où il y a du gaz, la pression est supérieure à zéro. Là où il y a du vide, il y a une pression = 0. La différence de pression est l’énergie potentielle. La différence de température est également une énergie potentielle. Nous les extrayons. Et ne vous inquiétez pas du désordre – nous effectuons certains travaux au détriment des molécules refroidies – ce travail créera suffisamment d’entropie pour rassurer ses fans.
>> Il me semble que la quantité d'énergie nécessaire pour créer les conditions initiales a été également libérée grâce au refroidissement.
Oui, mais ce qui est bien, c'est que ce n'est pas nous qui avons dépensé cette énergie :) Si, disons, nous prenons simplement de l'air atmosphérique contenant une masse de molécules assez énergétiques, le divisons avec une membrane barrière, utilisons la différence de température et libérons du froid retour d'air - ce sera un moteur gratuit (gratuit ne veut pas dire « éternel » !). Et dans le même temps, le refroidissement climatique constitue un coup dur pour les pays d’Afrique centrale.Répondre
Oui, je ne discute pas. Les molécules peuvent être divisées selon un certain principe. Mais cela ne veut pas dire que leur ensemble (rapide ou lent) dans des conditions d’équilibre (quand on peut parler de température du système) ne redistribuera pas les vitesses entre les particules selon la fonction de distribution. Et encore une fois, il y en aura des rapides et des lents. Sinon, nous devons parler d’un modèle différent de l’état de la matière.
Entonnoir - sans aucun doute intéressant. Mais, à mon avis, nous devrions d'abord parler de l'entonnoir énergétique - l'entonnoir thermique. Il est peu probable qu’un entonnoir mécanique « aspire » les particules, sauf peut-être la substance elle-même. Ceux. Il ne faut pas oublier qu’il s’agit de quelques « représentants » de l’ensemble, et non de sa répartition déterministe, comme par exemple aux interfaces entre médias. Pour une particule individuelle, avoir de la vitesse n’est pas une caractéristique, car vous devez répondre immédiatement - par rapport à quoi cette vitesse est mesurée.
Une fois de plus, je tiens à exprimer ma joie devant la beauté de la tâche. Et pourquoi cela n’est-il pas résolu ? Je pense que ma solution est tout à fait adaptée, même si ce n'est pas forcément vrai.
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Mais la question est formulée un peu différemment. Le moteur « moléculaire » est alimenté par la température.
1. Où est le moteur d’une molécule ?
2. Pourquoi devrait-il y avoir des molécules rapides et lentes si la température est la même ?
À cause des collisions. Impact - la vitesse a chuté. Échauffement - la vitesse a augmenté.
Eh bien, le Démon a collecté des molécules rapides. Ainsi, les plus lents restants accéléreront à la vitesse des plus rapides et la pente disparaîtra !
2. Une personne peut-elle orienter des « moteurs » moléculaires pour qu’ils se déplacent dans une direction ?
Oui, en ionisant le gaz et en lui appliquant un champ.
3. Existe-t-il une autre possibilité que Champ électromagnétique"orienter" les moteurs moléculaires ?
Le mouvement des molécules lorsqu’elles sont irradiées par la lumière infrarouge est probablement dû à l’expansion des nuages d’électrons. Et les molécules de la masse de gaz commencent à être « poussées » par les nuages d’électrons. Ces « chocs » sont probablement à l’origine du mouvement des molécules.
S'il y a peu de molécules ou s'il n'y a qu'une seule molécule, alors lors de l'irradiation infrarouge, ses nuages d'électrons commencent à être repoussés des parois du récipient.
Y a-t-il d'autres considérations ?
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Il existe un problème en physique que l’on peut grossièrement appeler le problème de « réversibilité-irréversibilité », et l’expérience de pensée avec le démon de Maxwell n’en est qu’une des illustrations les plus frappantes. Toutes les lois physiques, à une exception près, sont réversibles dans le temps, et la possibilité de réaliser le démon de Maxwell ne les contredit pas ! Une exception est la deuxième loi de la thermodynamique, qui a de nombreuses formulations différentes. Le plus simple d’entre eux est que la chaleur ne peut pas être transférée spontanément d’un corps ayant une température plus élevée à un corps ayant une température plus basse. La possibilité de l'existence du démon de Maxwell contredit exclusivement cette loi. Ainsi, toute tentative visant à prouver l’impossibilité du démon de Maxwell sans utiliser explicitement ou implicitement la deuxième loi est vouée à l’échec. Il convient de noter que toutes les lois physiques, y compris la deuxième loi, sont une généralisation de données expérimentales.
Tous ces problèmes ne peuvent être discutés sérieusement qu’avec une compréhension professionnelle de la thermodynamique, de la physique statistique, des statistiques quantiques et de la cinétique physique ; les futurs physiciens théoriciens étudient cela principalement au cours de leurs années de premier cycle pendant environ six semestres. Les non-professionnels ne devraient pas se charger de résoudre ce problème - personne n'essaie de calculer indépendamment les orbites des astéroïdes ou de calculer la structure électronique des semi-conducteurs, et c'est beaucoup plus simple.
Quelques notes pour les professionnels. 1) L'entropie ne peut être introduite de manière cohérente que pour un système en équilibre, tandis que la deuxième loi parle fondamentalement de processus hors équilibre. 2) Les définitions statistiques (par le poids statistique) et thermodynamiques (par la chaleur et la température) de l'entropie coïncident toujours. 3) De la définition de l'entropie par la mécanique quantique (via la matrice de densité), il s'ensuit strictement que l'entropie d'un système fermé reste inchangée. En général, il y a beaucoup de questions ici.
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L'auteur a tort. L’histoire suggère que des découvertes et des inventions vraiment intéressantes ont été réalisées par des « non-professionnels ». Vos soi-disant professionnels sont une bande d’idiots et de courtisans. Le démon de Maxwell existe depuis longtemps. Cet appareil, inventé en 1931, s'appelle un tube de Ranke-Hilsch. Il permet de séparer un gaz ou un liquide en flux chauds et froids à l'aide d'un vortex. De plus, on obtient beaucoup plus de chaleur que l’énergie dépensée pour créer le vortex.
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>> La chaleur ne peut pas être transférée spontanément d'un corps à une température plus élevée à un corps à une température plus basse. La possibilité de l'existence du démon de Maxwell contredit exclusivement cette loi.... Les non-professionnels ne devraient pas se charger de la solution à ce problème - personne n'essaie de calculer indépendamment les orbites des astéroïdes ou de calculer la structure électronique des semi-conducteurs, et cela est beaucoup plus simple.
Les non-professionnels ne devraient rien entreprendre du tout - si cela nécessite une solution professionnelle, elle est payée et a un impact sur quelque chose. Mais qu'y a-t-il de mal à _simplement discuter sur un forum gratuit_ de quelque chose qui n'a rien à voir avec vos compétences professionnelles ? Il est peu probable que quiconque ici pense sérieusement qu'il « résout » quelque chose (sauf peut-être l'auteur de l'article ;-) Et je pense que quelqu'un calcule également les orbites des astéroïdes - juste dans un fil différent :)))
Concernant la deuxième loi, il y a ce point : dans quelle mesure est-il généralement correct d'identifier « le transfert de chaleur d'un corps à un autre » avec « la division d'un corps en composants (ou deux corps) » ?Répondre
Je suis complètement d'accord avec toi. À propos, ce sera correct : la chaleur ne peut pas être spontanément transférée d'un corps à basse température à un corps à température plus élevée. La formulation exacte de la deuxième loi appartient à W. Thomson et M. Planck : « Dans la nature, il est impossible un processus dont le plein effet consisterait uniquement à refroidir le réservoir de chaleur et à soulever de manière équivalente la charge. » Mais : dans la nature, le démon de Maxwell existe s'il est possible de créer une diode de dimensions moléculaires, une diode moléculaire. Une telle diode est capable de convertir le mouvement thermique des électrons en un mouvement ordonné, c'est-à-dire en un courant électrique. Il existe également un brevet pour une diode tunnel à gradient avec des fréquences de fonctionnement allant jusqu'à la plage ultraviolette, qui, selon les auteurs, est capable de convertir même les fluctuations thermiques des électrons en courant électrique. C'est notre démon.
Mettons en place une expérience de pensée (comme grand-père Maxwell). Nous ne diviserons pas un corps en composants, mais prendrons un conteneur isotherme divisé par une cloison impénétrable en deux réservoirs. Dans un réservoir plus froid, nous plaçons un réseau de nanorectennes (une rectenne est une antenne avec un redresseur), réglées pour résonner avec le rayonnement des molécules rapides et chaudes de ce réservoir, connectons le réseau avec un circuit en pont de démons et - allez-y ! Nous accumulons le courant électrique constant résultant et l'envoyons à une charge (résistance) dans un réservoir plus chaud et le chauffons jusqu'à la victoire (ou soulevons une sorte de charge). La deuxième loi est au repos. Une machine à mouvement perpétuel du deuxième type, bien sûr, ne peut pas être réalisée de cette manière, puisqu'il est impossible de refroidir indéfiniment le premier réservoir, mais une violation évidente de la deuxième loi est visible, n'est-ce pas ?Répondre
Ce n’est pas exactement le démon de Maxwell, bien sûr, même si le principe « prendre aux pauvres et donner aux riches » (appelons-le le « principe inverse de Robin des Bois ») est idéologiquement proche de notre démon :)
Et là, je n'ai pas bien compris quelque chose : ces « nanorectennas » - laissent-elles passer des molécules ou des électrons ? S’il s’agit de molécules, alors de quel type de courant électrique parlons-nous ? Et s’il s’agit d’électrons (ou d’ions en général), alors à quoi ça sert de les filtrer par vitesse ? un électron lent est également un électron et produira la même quantité de courant électrique qu’un électron rapide. Certes, cela s'avère déjà être quelque chose comme une batterie à électrolyte ordinaire, sauf qu'à la place de l'électrolyte, il y a du gaz (pourquoi ?). La signification du deuxième réservoir (chaud) ne m'est pas du tout claire.De plus (nous partons du fait que nous filtrons après tout des molécules et essayons de transférer de la chaleur et non des charges électriques). « nous connectons le réseau [nanorecten] avec le circuit en pont des démons » - alors qui rectifie ici ? Rectennes ou démons ? si des rectennas, alors pourquoi les démons sont-ils nécessaires - et vice versa. Si les rectennas sont redressées, alors le démon doit s'asseoir DANS CHACUNE d'elles, et aucun pont supplémentaire qui redresse le flux de l'ensemble du réseau n'est nécessaire ; par conséquent, il n'est pas nécessaire de consolider les flux des rectennas individuelles - c'est-à-dire que nous revenons à la membrane (dans laquelle il y a simplement une « barrière » et « entonnoir » sont combinés avec le mot « rectenna »). Si les rectennas filtrent uniquement les molécules par vitesse (dans les deux sens), alors ce ne sont plus des « rectennas », mais simplement des barrières, et toutes les choses les plus complexes (« entonnoir ») sont effectuées de manière centralisée. Autrement dit, il s’agit simplement d’une différence constructive et non fondamentale.
Filtrer les molécules par vitesse n'est pas une tâche très difficile. Par exemple, nous prenons un gaz ionisé (disons+) et une membrane monomoléculaire chargée de manière similaire (pour plus de rigidité structurelle, elle peut être fixée à un cadre neutre facilement perméable). Seules les molécules de gaz dont l'énergie cinétique sera suffisante pour vaincre la réaction coulombienne pourront traverser cette membrane. Il est important que la percée (ou le rebond) de la molécule soit absolument élastique - la mesure dans laquelle la molécule ralentit en s'approchant de la membrane, la même mesure dans laquelle elle accélère lors du rebond (du même côté ou de l'autre côté). Le seuil de l'énergie kine requise peut être ajusté en sélectionnant la taille de la cellule membranaire et la charge qu'elle contient.
La chose la plus difficile qu’on puisse exiger d’un démon est d’envoyer des molécules dans une seule direction. Je ne sais pas comment enseigner cela à un démon, mais vous pouvez faire le geste d’un chevalier et le sauver de ce travail. En principe, il suffit que d’un côté de la membrane nous soyons assurés de n’avoir que des molécules rapides provenant du corps d’origine. Certains d’entre eux reviendront, mais d’autres resteront. Déjà bon. Comment l'utiliser?
— une expérience de pensée tentant de tester la deuxième loi de la thermodynamique a été mise en œuvre avec succès par des physiciens de l'Université de Chuo et de l'Université de Tokyo.
Les Japonais ont créé deux boules de polystyrène collées, chacune mesurant 0,3 micromètre de diamètre. L'un était à la surface du verre, le second pouvait tourner autour du premier. L'installation était remplie de liquide. Ses molécules poussaient les boules au hasard (mouvement brownien), naturellement, avec probabilité égale dans le sens horaire et antihoraire.
Selon les physiciens japonais, les systèmes de rétroaction pourraient représenter un nouveau type de machine qui convertit les informations en énergie. Théoriquement, à l’avenir, de tels dispositifs pourraient être alimentés par le mouvement brownien de micromachines.
La figure montre un diagramme schématique de l’expérience. La position du rotor en rotation est ici remplacée par une balle sautant les marches de manière aléatoire. Lorsque la balle rebondit, le démon intelligent de Maxwell érige une barrière pour empêcher la balle de redescendre. Dans ce cas, le « démon » lui-même ne pousse pas la balle (illustration Mabuchi Design Office/Yuki Akimoto).
Ensuite, les auteurs ont ajouté un faible champ électrique, qui a créé un couple. C'était analogue à une échelle le long de laquelle la balle pouvait « grimper », augmentant ainsi l'énergie potentielle. Parfois les molécules poussaient le rotor contre l'action du champ (montée), parfois vers le champ (saut des marches). Mais en général, le rotor tournait là où le champ externe le poussait.
Mais les physiciens ont ajouté un « démon » : une caméra à grande vitesse observant le ballon et un ordinateur qui contrôle le terrain. Chaque fois que le rotor faisait un pas contre le champ dans un mouvement brownien, l'ordinateur déplaçait ce dernier pour que la balle puisse tourner, mais lorsque le rotor essayait de revenir en arrière, le champ le bloquait.
C’est ainsi qu’a été créé un analogue de la porte ouverte et fermée par le démon de Maxwell : le rotor a augmenté son énergie grâce au mouvement thermique des molécules.
Cependant, l'installation ne viole pas les lois de la nature, puisque le fonctionnement du « démon » (caméra, système de correction de tension) nécessite de l'énergie. Mais les Japonais soulignent : cette expérience a prouvé pour la première fois en pratique la réalité d'une pompe à chaleur - le démon de Maxwell, justifié théoriquement par Leo Szilard en 1929. Une telle machine extrait l'énergie des sources isothermes environnement et le transforme en travail.
Principe général pompe à chaleur – le démon de Maxwell (« moteur Szilard »). Un système macroscopique (ordinateur) contrôle les événements dans un système microscopique (en réalité - un rotor et un champ, mais conditionnellement - une pièce avec des molécules et une cloison) en recevant des informations à son sujet. L'énergie dans un système microscopique augmente (et peut produire un travail utile), mais pas totalement gratuite, puisque le « démon » consomme de l'énergie pour obtenir des informations et contrôler les actions (illustration de Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki, Masaki Sano/Nature Physics).
Répondu par un chercheur éminent du Laboratoire de théorie de l'information quantique du MIPT et de l'Institut de physique théorique du nom de L.D. Landau RAS Gordey Lesovik :
— Selon l'une des formulations de la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur se déplace d'un corps chaud vers un corps froid. Il s’agit d’un phénomène courant et compréhensible. Mais si vous lancez le Démon de Maxwell dans un système fermé (on pense que cela augmente le degré d'ordre dans le système), alors il est capable de perturber l'ordre naturel des choses et d'éliminer le désordre, si vous le souhaitez. Il reflétera des atomes ou des molécules à haute énergie, modifiera les flux et lancera ainsi des processus complètement différents au sein du système. Un processus similaire peut être accompli en utilisant notre appareil quantique.
Représentation schématique du démon de Maxwell. Photo : Commons.wikimedia.org
Nous avons montré que même si la mécanique quantique, en général, assure précisément cette loi très classique de la thermodynamique et assure l'ordre naturel des choses, il est possible de créer artificiellement des conditions dans lesquelles ce processus peut être perturbé. Autrement dit, le démon quantique de Maxwell - en d'autres termes, un atome artificiel (on l'appelle généralement qubit, c'est-à-dire un bit quantique) est capable de garantir que la chaleur est transférée d'un objet froid à un objet chaud, et non l'inverse. . C'est la principale nouveauté de notre travail.
Dans un avenir proche, nous prévoyons de créer un réfrigérateur quantique dans lequel nous inverserons expérimentalement les flux de chaleur naturels. Dans le même temps, notre superréfrigérateur ne pourra pas dépenser lui-même de l'énergie pour les transformations, mais (en un sens) l'extraire d'une source pouvant être située à quelques mètres de lui. De ce point de vue, notre réfrigérateur quantique sera (localement) absolument économe en énergie. Pour éviter tout malentendu, il est important de souligner que la prise en compte d’une source d’énergie lointaine rétablit la validité de la deuxième loi de la thermodynamique et que l’ordre mondial dans son ensemble ne sera pas perturbé.
Concernant le champ d'application du Démon Quantique de Maxwell, c'est-à-dire notre appareil, alors il s’agit avant tout, bien sûr, du domaine de la mécanique quantique. Eh bien, par exemple, un ordinateur ordinaire chauffe souvent pendant son fonctionnement, la même chose se produit avec les appareils quantiques, mais là, ces processus sont encore plus critiques pour un fonctionnement normal. Nous pourrons les refroidir ou certaines micropuces individuelles. Nous apprenons désormais à le faire avec une efficacité proche de 100 %.
Et, bien entendu, de telles expériences permettront à l’avenir de parler de la création d’une machine à mouvement perpétuel du deuxième type. Aucune batterie ne sera nécessaire, le moteur pourra extraire l'énergie du réservoir thermique le plus proche et l'utiliser pour déplacer certains nanoappareils.
Une machine à mouvement perpétuel du deuxième genre est une machine qui, mise en mouvement, convertirait en travail toute la chaleur extraite des corps environnants. Selon les lois de la thermodynamique, cette idée est encore considérée comme irréalisable.
Des physiciens de Finlande, de Russie et des États-Unis ont été les premiers à mettre au point le démon électronique autonome de Maxwell. Les auteurs ont publié les résultats de leurs recherches dans la revue Physical Review Letters. Quels sont les démons de Maxwell et comment ils peuvent interférer avec le fonctionnement des ordinateurs, explique Lenta.ru.
L’intrigue autour des démons de Maxwell persiste dans la science depuis 150 ans. Le concept d'être surnaturel a été proposé en 1867 par le physicien britannique James Clerk Maxwell. Nous parlons d'un certain appareil qui fonctionne de telle manière qu'il conduit à une violation (apparemment) de la deuxième loi de la thermodynamique - l'une des lois les plus fondamentales de la nature.
Dans son expérience de pensée, Maxwell a pris une bouteille de gaz fermée et l'a divisée en deux parties avec une paroi intérieure avec une petite trappe. En ouvrant et en fermant la trappe, le démon de Maxwell sépare les particules rapides (chaudes) et lentes (froides). En conséquence, une différence de température apparaît dans le cylindre et la chaleur est transférée d'un gaz plus froid à un gaz plus chaud, ce qui semble contredire la deuxième loi de la thermodynamique.
La deuxième loi de la thermodynamique détermine la direction des processus physiques. En particulier, comme l'a montré le physicien allemand Rudolf Clausius, elle rend impossible le transfert spontané (c'est-à-dire sans travail) de chaleur d'un corps plus froid à un autre plus chaud ou, ce qui revient au même, une diminution de l'entropie (un mesure du désordre) d’un système isolé. Dans la formulation du Français Sadi Carnot, cette loi ressemble à ceci : un moteur thermique avec un coefficient action utile cent pour cent impossible.
La deuxième loi de la thermodynamique a finalement été formulée au XIXe siècle. C'était alors une loi pour un certain nombre de cas particuliers (sa nature fondamentale est devenue plus claire plus tard). Les physiciens y ont recherché des contradictions, et l'une d'entre elles (avec la mort thermique de l'Univers) a été présentée par Maxwell dans une lettre à son collègue Peter Tate.
Le paradoxe a immédiatement attiré l’attention des scientifiques et des amateurs de sciences. Au XXe siècle, la renommée du démon de Maxwell a été éclipsée par le chat (ou chat) de Schrödinger. Pendant ce temps, tel un animal de compagnie de la mécanique quantique, le démon du physicien britannique a été à l'origine de nombreuses découvertes importantes. En particulier, grâce à lui, la théorie thermodynamique de l'information et l'idée connexe d'entropie de l'information sont nées.
Dans les années 1960, Rolf Landauer, chercheur au sein de la société américaine IBM (International Business Machines), formule le principe qui porte son nom. Il a relié la perte d'un peu d'information dans n'importe quel système physique à la libération d'une quantité correspondante de chaleur (ou, ce qui revient au même, à une augmentation de l'entropie thermodynamique). Les travaux de Landauer ont eu une importance fondamentale pour l'informatique, qui perdure encore aujourd'hui. L'expression, du nom de Landauer, ainsi que des Américains Claude Shannon et John von Neumann, permet de déterminer la limite caractéristiques physiques dispositifs (principalement sa puissance et sa taille) dans lesquels les informations sont détruites. Les processeurs artificiels sont passés de milliards de fois plus de dissipation de chaleur que ce que prévoyait le principe de Landauer à des milliers de fois plus aujourd'hui.
Soit une cellule mémoire contenant des informations codées en bits (avec les valeurs zéro et un). Si vous le détruisez (c'est-à-dire le transformez dans un état contenant uniquement des zéros ou des uns), de la chaleur sera libérée. Dans le langage de la thermodynamique, cela signifie que l’entropie du système devient nulle, puisque l’état ordonné maximum (décrit uniquement par des zéros ou des uns) a été atteint. Landauer aimait répéter que « l’information est une quantité physique », telle était sa devise.
Pour la première fois, des scientifiques français et allemands ont mesuré la chaleur dégagée lorsqu'une information est détruite. La cellule mémoire était une perle de quartz d’un diamètre de deux micromètres placée dans l’eau. À l’aide de pinces optiques, les physiciens ont créé une paire de trous potentiels dans lesquels la perle pourrait aboutir. Ces états du système correspondaient aux valeurs logiques zéro et un. Lorsque le système a été transféré dans un état, les informations ont été effacées. La machine a pris en compte de nombreuses nuances, notamment les fluctuations, dont le rôle s'est accru avec la diminution de la profondeur des fosses. Grâce à Rapid, les physiciens ont observé la transition d'un système d'un état à un autre. Le processus s'est accompagné d'un dégagement de chaleur, la température de l'eau a augmenté et cela a été enregistré. Les données obtenues se sont révélées proches de celles prédites par le principe de Landauer.
Mais qu’est-ce que le démon de Maxwell a à voir là-dedans ? Le fait est qu'en triant les molécules chaudes et froides dans l'expérience de pensée de Maxwell, le démon accumule des informations sur la vitesse des particules. À un moment donné, la mémoire devient pleine et le démon doit l'effacer pour continuer à fonctionner. Cela nécessite d’effectuer un travail exactement égal à celui qui pourrait théoriquement être extrait d’un système de particules chaudes et froides. Autrement dit, la deuxième loi de la thermodynamique n’est pas violée. Cependant, une question métaphysique se pose à propos de l'entité effaçant la mémoire du démon. Pourrait-elle être une sorte de super démon influençant un démon mineur ? La réponse à cette question a été proposée pour la première fois en 1929 par l'un des participants au projet Manhattan, le physicien américain Leo Szilard. L'appareil qui porte son nom permet au démon de Maxwell de fonctionner de manière autonome.
Des scientifiques japonais ont réussi à le mettre en œuvre pour la première fois en 2010. Leur modèle électromécanique est une bille de polystyrène d'un diamètre d'environ 300 nanomètres placée dans un électrolyte. Le champ électromagnétique empêchait la perle de descendre, ce qui lui permettait d'acquérir une énergie mécanique (potentielle) proportionnelle au travail du champ. Le démon de Maxwell dans un tel système était l'observateur et ses instruments scientifiques, dont le fonctionnement nécessite de l'énergie. Cette dernière circonstance ne permet pas non plus de violer la deuxième loi de la thermodynamique. Contrairement aux scientifiques japonais, leurs collègues de Finlande, de Russie (Ivan Khaimovich de l'Institut de physique des microstructures de l'Académie des sciences de Russie) et des États-Unis ont créé pour la première fois non pas une machine Szilard électromécanique, mais entièrement électronique (le démon autonome de Maxwell) .
Le système est basé sur un transistor à un seul électron, qui forme un petit îlot de cuivre connecté à deux bornes supraconductrices en aluminium. Le démon de Maxwell contrôle le mouvement des électrons de différentes énergies dans un transistor. Lorsque la particule est sur l’île, le démon l’attire avec une charge positive. Si un électron quitte l'île, le démon le repousse avec une charge négative, ce qui fait baisser la température du transistor et augmenter la température du démon.
Le démon effectue toutes les manipulations de manière autonome (son comportement est déterminé par le transistor) et les changements de température indiquent une corrélation entre lui et le système. Il semble donc que le démon de Maxwell connaisse l'état du système et soit capable de le contrôler. Le démon électronique permet d'effectuer un grand nombre de mesures en peu de temps, et les basses températures dans le système permettent d'y enregistrer des changements extrêmement minimes. Ce système ne viole pas non plus la deuxième loi de la thermodynamique et est cohérent avec l’idée intuitive selon laquelle les informations peuvent être utilisées pour effectuer un travail.
Pourquoi les scientifiques ont-ils besoin de telles recherches ? D’une part, ils présentent un intérêt académique évident, puisqu’ils permettent l’étude des phénomènes microscopiques en thermodynamique. D’autre part, ils montrent combien est importante la production d’entropie à partir des informations reçues par le démon. C’est précisément ce que les auteurs de l’étude pensent pouvoir être utile pour la conception de qubits (analogues quantiques des bits classiques) des ordinateurs quantiques, même en dépit des progrès émergents dans le calcul réversible, dont l’histoire dépasse le cadre de cet article.
L'expérience de pensée est la suivante : supposons qu'un récipient contenant un gaz soit divisé par une cloison impénétrable en deux parties : droite et gauche. Dans la cloison, il y a un trou avec un dispositif (le soi-disant démon de Maxwell), qui permet aux molécules de gaz rapides (chaudes) de voler uniquement du côté gauche du récipient vers la droite, et aux molécules lentes (froides) uniquement du côté gauche du récipient. côté droit du navire vers la gauche. Puis, après une longue période de temps, les molécules « chaudes » (rapides) finiront dans le récipient de droite, et les « froides » « resteront » dans celui de gauche.
Ainsi, il s’avère que le démon de Maxwell vous permet de chauffer le côté droit du récipient et de refroidir le gauche sans apport d’énergie supplémentaire au système. L'entropie d'un système constitué des parties droite et gauche du récipient est plus grande à l'état initial qu'à l'état final, ce qui contredit le principe thermodynamique de l'entropie non décroissante dans les systèmes fermés (voir la deuxième loi de la thermodynamique)
Le paradoxe est résolu si l'on considère un système fermé incluant le démon de Maxwell et le vaisseau. Pour que le démon de Maxwell fonctionne, l'énergie doit lui être transférée à partir d'une source tierce. Grâce à cette énergie, la séparation des molécules chaudes et froides dans le récipient se produit, c'est-à-dire la transition vers un état avec une entropie plus faible. Une analyse détaillée du paradoxe de la mise en œuvre mécanique du démon (cliquet et cliquet) est donnée dans les Feynman Lectures on Physics, vol. 4, ainsi que dans les conférences populaires de Feynman « La nature des lois physiques ».
Avec le développement de la théorie de l’information, il a été constaté que le processus de mesure ne pouvait pas conduire à une augmentation de l’entropie, à condition qu’il soit thermodynamiquement réversible. Cependant, dans ce cas, le démon doit se souvenir des résultats de la mesure des vitesses (les effacer de la mémoire du démon rend le processus irréversible). Puisque la mémoire est limitée, à un moment donné, le démon est obligé d'effacer les anciens résultats, ce qui conduit finalement à une augmentation de l'entropie de l'ensemble du système dans son ensemble.
Le succès des physiciens japonais
Pour la première fois, des physiciens japonais ont pu réaliser expérimentalement une augmentation de l'énergie interne d'un système, en utilisant uniquement des informations sur son état et sans lui transférer d'énergie supplémentaire.
La génération d’énergie à partir d’informations a été décrite pour la première fois théoriquement par le physicien britannique James Maxwell dans son expérience de pensée. Dans celui-ci, une créature, appelée plus tard « le démon de Maxwell », gardait la porte entre deux pièces. Le démon, connaissant l'énergie de la molécule s'approchant de la porte, n'ouvre le passage qu'aux molécules « rapides », fermant la porte devant les « lentes ». En conséquence, toutes les molécules « rapides » se trouveront dans une pièce et toutes les molécules lentes dans l’autre, et la différence de température qui en résulte pourra être utilisée à des fins pratiques.
La mise en œuvre d’une telle centrale électrique « démoniaque » nécessite des coûts énergétiques bien plus élevés que ce qui peut être extrait de la différence de température qui en résulte, de sorte que les vrais moteurs fonctionnant selon ce principe n’ont jamais été sérieusement envisagés par les scientifiques. Cependant, l’intérêt pour de tels systèmes a refait surface récemment avec le développement des nanotechnologies.
Les auteurs de l’étude, des physiciens japonais dirigés par Masaki Sano de l’Université de Tokyo, ont mis en pratique une expérience de pensée impliquant le « démon de Maxwell ».
Les scientifiques ont utilisé un objet polymère d’environ 300 nanomètres, ressemblant à une perle. Sa forme est choisie pour que la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre lui soit énergétiquement plus bénéfique, car elle s'accompagne d'une libération d'énergie mécanique. La rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre entraîne au contraire une « torsion » de la perle et une augmentation de l'énergie mécanique qui y est emmagasinée.
La perle a été placée dans une solution spéciale et, en raison de sa petite taille, elle a commencé à participer au mouvement brownien et à tourner - dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse.
Les chercheurs ont utilisé un équipement spécial pour suivre chaque tour de la perle et, pendant qu'elle tournait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ils ont appliqué une tension électrique au récipient dans lequel elle se trouvait. Cette opération n'a pas transféré d'énergie supplémentaire au système, mais en même temps elle n'a pas permis à la perle de se « dérouler ». Ainsi, en utilisant uniquement les informations sur l'endroit où la perle tournait, les scientifiques ont pu augmenter son apport d'énergie mécanique uniquement grâce à l'énergie du mouvement brownien des molécules.
La loi de conservation de l'énergie n'est pas violée. Selon les calculs de Sano, l'efficacité de la conversion des informations en énergie dans leur expérience était de 28 %, ce qui est cohérent avec les calculs théoriques.
Un tel mécanisme pourrait être utilisé pour faire fonctionner des nanomachines ou des mécanismes moléculaires, estime Vlatko Vedral, physicien de l'Université d'Oxford qui n'a pas participé à l'expérience de Sano, dont l'opinion est citée par la publication en ligne Nature News.
"Il serait très intéressant de découvrir l'utilisation de ce principe de transfert d'énergie dans les systèmes vivants", ajoute le scientifique.