Este posibil să se încalce a doua lege a termodinamicii?
În știință, ca și în ficțiune, există personaje fantastice. Poate că majoritatea au fost inventate în timpul discuției despre cea de-a doua lege a termodinamicii. Cel mai popular dintre ei a fost demonul lui Maxwell, care a fost inventat de James Clerk Maxwell, autorul faimosului sistem de ecuații ale lui Maxwell, care descrie complet câmpurile electromagnetice. A doua lege (sau lege) a termodinamicii are multe formulări, al căror sens fizic este totuși identic: un sistem izolat nu poate trece spontan de la o stare mai puțin ordonată la una mai ordonată. Astfel, un gaz format din molecule care se mișcă la viteze diferite nu se poate împărți spontan în două părți, dintre care una va conține molecule care se mișcă, în medie, mai repede decât viteza medie statistică, iar cealaltă - mai lentă.
Multe procese fizice se încadrează în această categorie reversibil. Apa, de exemplu, poate fi înghețată, iar gheața rezultată poate fi topită din nou și vom obține apă în același volum și stare; fierul poate fi magnetizat și apoi demagnetizat etc. În acest caz, entropia (gradul de ordine) a sistemului la punctele de început și de sfârșit ale procesului rămâne neschimbată. Există, de asemenea, procese care sunt ireversibile în sensul termodinamic - ardere, reacții chimice etc. Adică, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, orice proces duce în cele din urmă fie la menținerea, fie la reducerea gradului de ordine a sistemului. Această situație dizarmonică i-a nedumerit foarte mult pe fizicienii din a doua jumătate a secolului al XIX-lea, iar apoi Maxwell a propus o soluție paradoxală care ar permite aparent să ocolim cea de-a doua lege a termodinamicii și să inverseze creșterea constantă a haosului într-un sistem închis. El a propus următorul „experiment de gândire”: imaginați-vă un recipient sigilat împărțit în două printr-un compartiment etanș la gaz, în care există o singură ușă de dimensiunea unui atom de gaz. La începutul experimentului, partea superioară a recipientului conține gaz, iar partea inferioară conține vid complet.
Acum să ne imaginăm că un anumit paznic microscopic este repartizat la ușă, care monitorizează vigilent moleculele. El deschide ușa pentru molecule rapide și le lasă să treacă prin pereți, în jumătatea inferioară a recipientului, iar pe cele lente în jumătatea superioară. Este clar că, dacă un astfel de mini-paznic este de serviciu la ușă suficient de mult, gazul se va împărți în două jumătăți: în partea superioară va fi un gaz rece format din molecule lente, iar în partea inferioară un gaz fierbinte. de molecule rapide se vor acumula. Astfel, sistemul va fi ordonat în comparație cu starea inițială, iar a doua lege a termodinamicii va fi încălcată. În plus, diferența de temperatură poate fi folosită pentru a obține lucru ( cm. Ciclul și teorema lui Carnot). Dacă un astfel de paznic este lăsat la serviciu pentru totdeauna (sau se organizează o tură), vom obține o mașină cu mișcare perpetuă.
Acest paznic amuzant, care a fost supranumit „Demonul lui Maxwell” de către colegii plini de spirit ai savantului, încă trăiește în folclorul științific și entuziasmează mințile oamenilor de știință. Într-adevăr, o mașină cu mișcare perpetuă nu ar dăuna umanității, dar iată problema: aparent, pentru ca demonul lui Maxwell să funcționeze, el însuși va avea nevoie de alimentare cu energie sub forma unui aflux de fotoni necesar pentru a ilumina moleculele care se apropie și a le cerne. În plus, atunci când cerne molecule, demonul și ușa nu pot să nu interacționeze cu ele, drept urmare ei înșiși vor primi în mod constant energie termică de la ele și își vor crește entropia, ca urmare a cărei entropia totală a sistemului. tot nu va scadea. Adică, cu această explicație, amenințarea teoretică la adresa celei de-a doua legi a termodinamicii a fost evitată, dar nu necondiționat.
Primul contraargument cu adevărat convingător a fost formulat la scurt timp după nașterea mecanicii cuantice. Pentru a sorta moleculele care se apropie, demonul trebuie să le măsoare viteza, dar nu poate face acest lucru cu suficientă precizie datorită principiului incertitudinii Heisenberg. În plus, datorită aceluiași principiu, el nu poate determina cu exactitate locația moleculei în spațiu, iar unele dintre moleculele în fața cărora deschide ușa microscopică vor rata ușa. Cu alte cuvinte, demonul lui Maxwell se dovedește a fi un taur macroscopic într-un magazin de porțelanuri din microcosmos, care trăiește conform propriilor legi. Aduceți demonul în conformitate cu legile mecanicii cuantice și acesta nu va putea sorta moleculele de gaz și va înceta pur și simplu să reprezinte orice amenințare pentru a doua lege a termodinamicii.
Un alt argument convingător împotriva posibilității existenței unui paznic demon a apărut deja în era computerului. Să presupunem că demonul lui Maxwell este un sistem automat de control al deschiderii ușilor. Sistemul efectuează procesarea bit cu bit a informațiilor primite despre viteza și coordonatele moleculelor care se apropie. După ce a trecut sau a respins o moleculă, sistemul trebuie să resetați informațiile ordonate anterior - și aceasta este echivalentă cu o creștere a entropiei cu o cantitate egală cu scăderea entropiei ca urmare a comandării gazelor la trecerea sau respingerea unei molecule, informații despre care a fost șters din memoria RAM a demonului computerului. În plus, computerul în sine se încălzește, astfel încât într-un astfel de model într-un sistem închis format dintr-o cameră de gaz și un sistem de acces automat, entropia nu scade, iar cea de-a doua lege a termodinamicii este îndeplinită.
Păcat pentru demon - era un personaj drăguț.
Afișează comentarii (41)
Restrângeți comentariile (41)
O explicație uimitor de neajutorat pentru imposibilitatea Demonului lui Maxwell!
Argumentul despre incertitudinea cuantică a lumii este folosit ca argument! În consecință, autorul nu are argumente împotriva imposibilității existenței unui demon într-o lume termodinamică model formată doar din particule mecanice. La urma urmei, dacă lumea este formată din particule mecanice, nu are sens să spunem că demonul se va „încălzi”, că trebuie să „ilumineze” particulele pentru a determina dacă să deschidă partiția etc.
Ideea simplă că un demon mecanic nu trebuie să ilumineze sau să interacționeze în alt mod cu particulele nu i-a trecut prin minte profesorului. Demonul poate, cunoscând momentele și coordonatele inițiale ale tuturor particulelor din vas, să calculeze pur și simplu momentele în care o particulă rapidă zboară spre pereție și o deschide. Mai mult, în timpul ciocnirilor elastice nu are loc nicio încălzire; în consecință, entropia demonului nu crește.
În general, rădăcina dificultăților profesorului și a întregii fizice moderne sunt ideile neclare despre entropie. Fizicienii insistă că aceasta este o categorie obiectivă, în timp ce definiția ei include conceptul subiectiv de „tulburare”, „măsură a tulburării”. Nu există o măsură obiectivă a tulburării.
Răspuns
> O explicație uluitoare prin neputința ei... se invocă argumentul despre incertitudinea cuantică a lumii!
Poate credeți că explicația este neputincioasă, dar asta nu schimbă faptul că este corectă. Imposibilitatea demonului lui Maxwell este direct legată de incertitudinea cuantică.
> Demonul poate, cunoscând impulsurile și coordonatele inițiale ale tuturor particulelor din vas, să calculeze pur și simplu momentele în care o particulă rapidă zboară spre pereție și o deschide.
Demonul nu poate ști așa ceva. ȘI Motivul principal Aici este tocmai incertitudinea cuantică. Dar chiar și fără ea, într-o lume pur mecanică, predicția precisă a traiectoriilor mișcării moleculare se dovedește a fi imposibilă datorită efectului divergenței exponențiale a traiectoriilor, care este studiat în teoria biliardului matematic. O eroare arbitrar de mică în cunoașterea pozițiilor inițiale depășește orice valoare dată într-un timp scurt.
Există un alt motiv. Pentru ca un demon să urmărească toate pozițiile moleculelor, trebuie să aibă suficientă memorie și să își poată schimba conținutul pe baza rezultatelor influenței sale asupra moleculelor. Memoria este un dispozitiv fizic și are entropie. Calculele arată că entropia acumulată de această memorie doar compensează (sau depășește) scăderea acesteia în gaz. (Toate calculele au fost date într-unul dintre articolele din revista „În lumea științei” în anii 1980, dar acum nu pot da un link.)
> În general, rădăcina dificultăților profesorului și a întregii fizice moderne sunt ideile neclare despre entropie.
Entropia este într-adevăr un concept complex, dar în această problemă, totul este clar.
> Fizicienii insistă că aceasta este o categorie obiectivă, în timp ce definiția ei include conceptul subiectiv de „tulburare”, „măsură a tulburării”.
Nu aveți dreptate. _definiția_ entropiei nu include conceptul de „tulburare”. Este folosit doar pentru o explicație populară și, prin urmare, figurativă și inexactă a acestui concept. Definițiile formale ale entropiei (apropo, există multe dintre ele) nu conțin așa ceva. Iată, de exemplu, cele două definiții cele mai populare din fizică:
Entropia este o cantitate proporțională cu logaritmul numărului de microstări care realizează o macrostare în care se află sistemul studiat (S = k*ln(W)).
Câștigul de entropie este energia primită de sistem împărțită la temperatura sistemului (dS = dQ/T).
Puteți citi mai multe despre acest lucru, de exemplu, aici: http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm. În acest articol enciclopedic destul de mare, „măsura dezordinii” este menționată o singură dată, și asta a fost ca o explicație pentru ecuația S = k*ln(W).
Răspuns
>> Imposibilitatea demonului lui Maxwell este direct legată de incertitudinea cuantică... Demonul nu poate ști așa ceva. Iar principalul motiv aici este tocmai incertitudinea cuantică... Pentru ca un demon să urmărească toate pozițiile moleculelor, el trebuie să aibă suficientă memorie și să poată schimba conținutul acestuia pe baza rezultatelor influenței sale asupra moleculelor. Memoria este un dispozitiv fizic și are entropie.
HaHa. HaHaHa. Și demonul are nevoie și de brațe și picioare pentru a deschide și închide această ușă. Și trebuie să mănânci... Este cu adevărat posibil ca această ghicitoare să fie încă rezolvată cu scuze atât de vulgare folosind cuvinte inteligente precum entropie, incertitudine cuantică... amintirea unui demon (!!!) E amuzant pentru Dumnezeu.
Nu există demon. Să ne imaginăm o încăpere plină cu bile care sări - ideal elastice și nu supuse frecării (o analogie mecanică acceptabilă a moleculelor de gaz). Pe o parte a camerei există o deschidere blocată de o barieră de o anumită înălțime. Bilele care sar deasupra acestei bariere vor zbura în cele din urmă din cameră în camera următoare, iar în prima cameră vor rămâne doar mingi care sări încet. Bariera are nevoie de memorie sau energie, fotoni, muoni, bosoni sau sincrofazotroni? Are nevoie să calculeze un fel de entropie sau să atragă forțe astrale? Pentru a opri imediat încercările la subiectul „bilele rapide se vor întoarce din camera următoare”, vom face o pâlnie în a doua cameră prin care bilele zboară în a treia cameră și le este greu să zboare înapoi.
În electronică, efectul de barieră (electronii cu energie peste o anumită valoare fără pierderi (!) trec bariera, cei fără - nu trec, dar nici nu pierd energie) este de mult cunoscut și este utilizat pe scară largă. Căutați pe Google - pentru dezvoltare generală.
„Paradoxul” acestor bile și, în consecință, al vaselor Maxwelliene este rezolvat foarte simplu - însuși faptul de a sorta bile nu este lucru. Munca este utilizarea (preluarea) energiei din mingi rapide. Și după ce am folosit odată (luat) energia din minge, o transformăm într-una lentă - care nu va mai sări peste barieră. Pentru a continua ciclul, sunt necesare bile proaspete din exterior.
>> Acestea fiind spuse, recomand ca atunci când discutați probleme științifice... să aveți mai puțină încredere în fanteziile voastre.
Și ți-aș recomanda să nu te referi la superstiții stupide doar pentru că conțin cuvinte inteligente și la modă...Răspuns
De fapt, sistemele complet închise nu există în natură; aceasta este o abstractizare pentru derivarea formulelor termodinamice. Și în raționamentul nostru, nici măcar nu observăm cum ne îndreptăm neintenționat către sisteme deschise. Și în sistemele deschise, entropia trebuie tratată după cum urmează din lucrările lui Ilya Prigogine. Dar nu asta este ideea acum.
Demonul lui Maxwell sparge închiderea sistemului, chiar dacă acesta stă în interiorul vasului.
În primul rând, are nevoie de un aflux de energie pentru a-și face treaba (bateriile trebuie încărcate), iar în al doilea rând, informațiile care sunt încorporate în acest robot (demon) sunt date și în EXTERIOR, adică există un schimb de energie și informarea cu mediul extern.
Și în aceste condiții, munca demonului poate oferi o soluție la problema, potrivit lui Maxwell: moleculele vor fi distribuite în funcție de vitezele lor. DAR! Datorită influenței de control a unui principiu inteligent extern.
Răspuns
Puteți veni cu un demon Maxwell mecanic care va lăsa să treacă nu molecule, ci particule mici mai rapide în mișcarea browniană. Atunci mecanica cuantică și termodinamica nu funcționează, doar mecanica și totul depinde de consumul de energie al demonului pentru a fixa particulele, închide ușa și viteza particulelor în sine, care depinde de temperatura mediului.
Răspuns
Legea termodinamicii în acest experiment mental al lui Maxwell este într-adevăr încălcată (AUTO-TRANZIȚIE LA O STARE MAI ORDINATĂ!), dar nu este nevoie să vă păcăliți din cauza costurilor de deschidere, închidere și încălzire a „supapei” (să să spunem că există această membrană-diodă - aceasta este o problemă de tehnologie, și nu de fizică teoretică).
Așadar, după ce am sortat moleculele în modul descris mai sus, obținem: temperatura moleculelor rapide este mai mare decât cea inițială, DAR TEMPERATURA moleculelor LENTE este PROPORȚIONAL mai scăzută. În consecință, ordinea generală a sistemului nu se va schimba încă aici (fără a lua în calcul costurile „sortorului”). Să zicem că sunt neglijabile.
În plus, utilizând energia moleculelor rapide, de exemplu, pentru a lucra, vom scădea astfel temperatura acestora și, prin urmare, temperatura generală a întregului sistem. După ce am efectuat aceste manipulări cu gazul de un anumit număr de ori, în cele din urmă ne vom apropia de zero absolut și atunci procesul de extragere a energiei în acest fel va deveni imposibil. (Deci nu îmi este clar despre ce fel de mașină cu mișcare perpetuă vorbim în articol). Deci, am extras energie, am scăzut temperatura și am crescut foarte mult ordinea? moleculele din acest sistem. (Au crescut și volumul de gaz - ce este în neregulă cu ordinea?).
Aceasta înseamnă că un sistem închis se poate auto-răci la 0 (în schimbul eliberării unei cantități echivalente de energie minus eficiența „sortorului”), de exemplu. trecerea într-una mai ordonată? (și volumul?), iar AUTOTRANZIȚIA LA O STARE MAI ORDENATĂ nu este permisă de legea a 2-a a termodinamicii.
Mi se pare că cantitatea de energie necesară pentru a crea condițiile inițiale a fost eliberată în mod egal ca urmare a răcirii. Dar ordinea (în cuvinte străine, entropie) nu s-a schimbat - doar pare să fie în unități și volume diferite.
Răspuns
>> Pentru a fi corect, trebuie spus că mai întâi a fost necesar să cheltuiți bani (energie) pentru crearea vidului și gazului clar separate, adică. sistemul avea inițial energie potențială și ordine: (o regiune clară cu gaz și vid), și ca urmare, este gaz peste tot, dar rece și de un volum mai mare. Și cum se măsoară această ordine?
Totul este mult mai simplu. Acolo unde există gaz, presiunea este peste zero. Acolo unde este vid, există presiune = 0. Diferența de presiune este energie potențială. Diferența de temperatură este și energie potențială. Le extragem. Și nu vă faceți griji cu privire la tulburare - lucrăm în detrimentul moleculelor răcite - această muncă va crea suficientă entropie pentru a-și liniști fanii.
>>Mi se pare că cantitatea de energie necesară pentru a crea condițiile inițiale a fost eliberată în mod egal ca urmare a răcirii.
Da, dar lucrul frumos este că nu noi am cheltuit această energie :) Dacă, să zicem, pur și simplu luăm aer atmosferic care conține o masă de molecule destul de energice, îl împărțim cu o membrană de barieră, folosim diferența de temperatură și eliberăm frigul aer înapoi - va fi motor gratuit (gratuit nu înseamnă „etern”). Și, în același timp, răcirea climatică este un hit pentru țările din Africa Centrală.Răspuns
Da, nu mă cert. Moleculele pot fi împărțite după un anumit principiu. Dar asta nu înseamnă că ansamblul lor (rapid sau lent) în condiții de echilibru (când putem vorbi de temperatura sistemului) nu va redistribui vitezele între particule în funcție de funcția de distribuție. Și iarăși vor fi cele rapide și vor fi cele lente. În caz contrar, trebuie să vorbim despre un alt model al stării materiei.
Pâlnie - fără îndoială interesant. Dar, după părerea mea, ar trebui să vorbim, în primul rând, despre pâlnia energetică - pâlnia de căldură. Este puțin probabil ca o pâlnie mecanică să „atrage” particule, cu excepția, poate, a substanței în sine. Acestea. Nu trebuie să uităm că vorbim despre niște „reprezentanți” ai ansamblului, și nu despre distribuția sa deterministă, ca, de exemplu, la interfețele dintre medii. Ca o particulă individuală să aibă viteză nu este o caracteristică, deoarece trebuie să răspundeți imediat - în raport cu ceea ce se măsoară această viteză.
Încă o dată vreau să-mi exprim bucuria față de frumusețea sarcinii. Și de ce nu se rezolvă? Cred că soluția mea este destul de potrivită, deși nu neapărat adevărată.
Răspuns
Dar întrebarea este formulată oarecum diferit. Motorul „molecular” este alimentat de temperatură.
1. Unde este motorul unei molecule?
2. De ce ar trebui să existe molecule rapide și lente dacă temperatura este aceeași?
Din cauza ciocnirilor. Impact - viteza a scăzut. Încălzire - viteza a crescut.
Ei bine, Demonul a colectat molecule rapide. Deci cele lente rămase vor accelera la viteza celor rapide și gradientul va dispărea!
2. Poate o persoană să orienteze „motoarele” moleculare pentru a se mișca într-o direcție?
Da, prin ionizarea gazului și aplicarea unui câmp.
3. Există vreo altă posibilitate în afară de câmp electromagnetic„orienta” motoarele moleculare?
Probabil că mișcarea moleculelor atunci când sunt iradiate cu lumină infraroșie este cauzată de expansiunea norilor de electroni. Și moleculele din masa de gaz încep să fie „împinse” de norii de electroni. Aceste „șocuri” sunt probabil motivul mișcării moleculelor.
Dacă sunt puține molecule sau există o singură moleculă, atunci în timpul iradierii în infraroșu, norii săi de electroni încep să fie respinși de pe pereții vasului.
Există alte considerente?
Răspuns
Există o problemă în fizică care poate fi numită problema „reversibilitate-ireversibilitate”, iar experimentul de gândire cu demonul lui Maxwell este doar una dintre cele mai izbitoare ilustrații ale sale. Toate legile fizice, cu o singură excepție, sunt reversibile în timp, iar posibilitatea de a realiza demonul lui Maxwell nu le contrazice! O excepție este cea de-a doua lege a termodinamicii, care are multe formulări diferite. Cel mai simplu dintre ele este că căldura nu se poate transfera spontan de la un corp cu o temperatură mai mare la un corp cu o temperatură mai scăzută. Posibilitatea existenței demonului lui Maxwell contrazice exclusiv această lege. Astfel, orice încercare de a dovedi imposibilitatea demonului lui Maxwell care nu folosește în mod explicit sau implicit a doua lege este sortită eșecului. Trebuie remarcat faptul că toate legile fizice, inclusiv a doua lege, sunt o generalizare a datelor experimentale.
Toate aceste probleme pot fi discutate serios doar cu o înțelegere profesională a termodinamicii, fizicii statistice, statisticii cuantice și cineticii fizice; viitorii fizicieni teoreticieni studiază acest lucru mai ales în anii lor de licență timp de aproximativ șase semestre. Neprofesioniștii nu ar trebui să preia soluția la această problemă - nimeni nu încearcă să calculeze independent orbitele asteroizilor sau să calculeze structura electronică a semiconductorilor, iar acest lucru este mult mai simplu.
Câteva note pentru profesioniști. 1) Entropia poate fi introdusă într-o manieră consecventă numai pentru un sistem de echilibru, în timp ce a doua lege vorbește fundamental despre procese de neechilibru. 2) Definițiile statistice (prin greutatea statistică) și termodinamice (prin căldură și temperatură) coincid întotdeauna. 3) Din definiția mecanică cuantică (prin matricea de densitate) a entropiei rezultă strict că entropia unui sistem închis rămâne neschimbată. În general, există multe întrebări aici.
Răspuns
Autorul greșește. Istoria sugerează că descoperirile și invențiile cu adevărat valoroase au fost făcute de „non-profesioniști”. Așa-zișii tăi profesioniști sunt o grămadă de idioți și adulatori. Demonul lui Maxwell există de mult timp. Acest dispozitiv, inventat în 1931, se numește tub Ranke-Hilsch. Vă permite să separați gazul sau lichidul în fluxuri calde și reci folosind un vortex. În plus, se obține mult mai multă căldură decât energia cheltuită pentru a crea vortexul.
Răspuns
>>caldura nu se poate transfera spontan de la un corp la o temperatura mai mare la un corp la o temperatura mai scazuta. Posibilitatea existenței demonului lui Maxwell contrazice exclusiv această lege.... Neprofesioniștii nu ar trebui să preia soluția acestei probleme - nimeni nu încearcă să calculeze în mod independent orbitele asteroizilor sau să calculeze structura electronică a semiconductorilor și aceasta este mult mai simplu.
Neprofesioniștii nu ar trebui să-și asume absolut nimic - dacă necesită o soluție profesională, este plătită și are impact asupra a ceva. Dar ce e în neregulă cu _doar discuția pe un forum gratuit_ despre ceva care nu are legătură cu competența ta profesională? Este puțin probabil ca cineva de aici să creadă serios că „rezolvă” ceva (cu excepția, poate, autorului articolului;-) Și cred că cineva calculează și orbitele asteroizilor - doar într-un alt fir :)))
În ceea ce privește a doua lege, există acest punct: cât de general este corect să identificăm „transferul de căldură de la un corp la altul” cu „diviziunea unui corp în componente (sau două corpuri)”?Răspuns
Sunt total de acord cu tine. Apropo, va fi corect - căldura nu se poate transfera spontan de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. Formularea exactă a celei de-a doua legi aparține lui W. Thomson și M. Planck: „În natură este imposibil un proces al cărui efect deplin ar consta doar în răcirea rezervorului de căldură și într-o ridicare echivalentă a sarcinii”. Dar: în natură, demonul lui Maxwell există dacă este posibil să se creeze o diodă de dimensiuni moleculare, o diodă moleculară. O astfel de diodă este capabilă să transforme mișcarea termică a electronilor într-una ordonată, adică într-un curent electric. Există, de asemenea, un brevet pentru o diodă tunel de gradient cu frecvențe de funcționare până la intervalul ultraviolet, care, potrivit autorilor, este capabilă să transforme chiar și fluctuațiile termice ale electronilor în curent electric. Acesta este demonul nostru.
Să organizăm un experiment de gândire (cum ar fi bunicul Maxwell). Nu vom împărți un corp în componente, ci vom lua un container izolat împărțit de o partiție impenetrabilă în două rezervoare. Într-un rezervor mai rece plasăm o serie de nanorectene (o rectennă este o antenă cu un redresor), reglate pentru a rezona cu radiația moleculelor rapide și fierbinți ale acestui rezervor, conectăm matricea cu un circuit de punte de demoni și - mergeți mai departe! Acumulăm curentul electric constant rezultat și îl trimitem la o sarcină (rezistență) într-un rezervor mai fierbinte și îl încălzim spre victorie (sau ridicăm un fel de sarcină). A doua lege este în repaus. O mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel, desigur, nu poate fi făcută în acest fel, deoarece este imposibil să răciți primul rezervor la infinit, dar este vizibilă o încălcare evidentă a celei de-a doua legi, nu-i așa?Răspuns
Acesta nu este tocmai demonul lui Maxwell, desigur, deși principiul „luați de la săraci și dați celor bogați” (să-i spunem „principiul invers Robin Hood”) este aproape ideologic de demonul nostru :)
Și aici nu prea am înțeles ceva: aceste „nanorectene” - permit trecerea moleculelor sau electronilor? Dacă sunt molecule, atunci despre ce fel de curent electric vorbim? Și dacă este vorba de electroni (sau de ioni în general), atunci ce rost are să le filtrezi după viteză? un electron lent este, de asemenea, un electron și va produce aceeași cantitate de curent electric ca unul rapid. Adevărat, aceasta se dovedește deja a fi ceva ca o baterie obișnuită cu electrolit, doar că în loc de electrolit există gaz (de ce?). Sensul celui de-al doilea rezervor (fierbinte) nu îmi este deloc clar.Mai departe (pornim de la faptul că filtrăm molecule până la urmă și încercăm să transferăm căldură și nu sarcină electrică). „conectăm zăbrele [nanorecten] cu circuitul de pod al demonilor” - deci cine rectifică aici? Rectenne sau demoni? dacă rectenne, atunci de ce sunt necesari demoni - și invers. Dacă rectenele sunt îndreptate, atunci demonul trebuie să stea în fiecare dintre ele și nu sunt necesare poduri suplimentare care să îndrepte fluxul din întreaga zăbrele; în consecință, nu este nevoie să consolidăm fluxurile de la rectenele individuale - adică ne întoarcem la membrană (în care există pur și simplu o „barieră” și „pâlnie” sunt combinate cu cuvântul „rectenna”). Dacă rectenna filtrează moleculele numai după viteză (în ambele direcții) - atunci acestea nu mai sunt „rectenne”, ci pur și simplu bariere, iar toate cele mai complexe („pâlnie”) se fac central. Adică, aceasta este pur și simplu o diferență constructivă, și nu una fundamentală.
Filtrarea moleculelor după viteză nu este o sarcină foarte dificilă. De exemplu, luăm un gaz ionizat (să zicem +) și o membrană monomoleculară încărcată similar (pentru rigiditate structurală, poate fi atașată la un cadru neutru ușor permeabil). Numai acele molecule de gaz a căror energie cinetică va fi suficientă pentru a depăși reacția Coulomb vor putea aluneca prin această membrană. Este important ca străpungerea (sau revenirea) moleculei să fie absolut elastică - măsura în care molecula încetinește la apropierea de membrană, în aceeași măsură se va accelera la revenire (din aceeași parte sau din cealaltă parte). Pragul de energie cinetică necesară poate fi ajustat prin selectarea dimensiunii celulei membranei și a încărcăturii de pe aceasta.
Cel mai dificil lucru care i se poate cere unui demon este să trimită molecule doar într-o singură direcție. Nu știu cum să învăț un demon asta, dar poți să faci o mișcare de cavaler și să-l salvezi de această muncă. În principiu, este suficient ca pe o parte a membranei să avem garantat doar molecule rapide din corpul original. Unii dintre ei vor zbura înapoi, dar unii vor rămâne. Deja bun. Cum să-l folosească?
— un experiment de gândire care încearcă să testeze a doua lege a termodinamicii a fost implementat cu succes de către fizicienii de la Universitatea Chuo și de la Universitatea din Tokyo.
Japonezii au creat două bile de polistiren lipit, fiecare cu diametrul de 0,3 micrometri. Unul era pe suprafața sticlei, al doilea se putea roti în jurul primei. Instalația a fost umplută cu lichid. Moleculele sale au împins la întâmplare bilele (mișcarea Brownian), în mod natural, cu probabilitate egală atât în sensul acelor de ceasornic, cât și în sens invers acelor de ceasornic.
Sistemele de feedback, spun fizicienii japonezi, ar putea reprezenta un nou tip de mașină care transformă informațiile în energie. Teoretic, în viitor, astfel de dispozitive ar putea fi alimentate de mișcarea browniană a micromașinilor.
Figura prezintă o diagramă schematică a experimentului. Poziția rotorului rotativ este înlocuită aici de o minge care sare în sus treptele la întâmplare. Când mingea sare în sus, demonul inteligent al lui Maxwell ridică o barieră pentru a împiedica mingea să se rostogolească înapoi în jos. În acest caz, „demonul” însuși nu împinge mingea (ilustrare de Mabuchi Design Office/Yuki Akimoto).
Apoi, autorii au adăugat un câmp electric slab, care a creat un cuplu. Era analog cu o scară, de-a lungul căreia mingea se putea „urca”, crescând energia potențială. Uneori moleculele împingeau rotorul împotriva acțiunii câmpului (ascensiunea), alteori spre câmp (sărind în jos pe trepte). Dar, în general, rotorul se rotește acolo unde câmpul extern îl împingea.
Dar fizicienii au adăugat un „demon” - o cameră de mare viteză care observă mingea și un computer care controlează câmpul. De fiecare dată când rotorul făcea un pas împotriva câmpului în mișcare browniană, computerul îl mișca pe acesta din urmă pentru ca mingea să se poată întoarce, dar când rotorul încerca să se rotească înapoi, câmpul îl bloca.
Așa a fost creat un analog al ușii deschise și închise de demonul lui Maxwell: rotorul și-a crescut energia datorită mișcării termice a moleculelor.
Cu toate acestea, instalația nu încalcă legile naturii, deoarece funcționarea „demonului” (camera, sistem de corectare a tensiunii) necesită energie. Dar japonezii subliniază: acest experiment a dovedit pentru prima dată în practică realitatea unei pompe de căldură - demonul lui Maxwell, fundamentată teoretic de Leo Szilard în 1929. O astfel de mașină extrage energie din izotermă mediu inconjuratorși o transformă în muncă.
Principiu general pompă de căldură – demonul lui Maxwell („motor Szilard”). Un sistem macroscopic (calculator) controlează evenimentele într-un sistem microscopic (în realitate - un rotor și un câmp, dar condiționat - o cameră cu molecule și o partiție) prin primirea de informații despre acesta. Energia într-un sistem microscopic crește (și poate produce muncă utilă), dar nu complet gratuită, deoarece „demonul” consumă energie pentru a obține informații și acțiuni de control (ilustrare de Shoichi Toyabe, Eiro Muneyuki, Masaki Sano/Nature Physics).
Răspuns de un cercetător de frunte de la Laboratorul de Teoria Informației Cuantice al MIPT și de la Institutul de Fizică Teoretică, numit după L.D. Landau RAS Gordey Lesovik:
— Conform uneia dintre formulările celei de-a doua legi a termodinamicii, căldura se deplasează de la un corp fierbinte la unul rece. Acesta este un fenomen comun și de înțeles. Dar dacă lansați Demonul lui Maxwell într-un sistem închis (se crede că crește gradul de ordine în sistem), atunci este capabil să perturbe ordinea naturală a lucrurilor și să elimine dezordinea, dacă doriți. Acesta va reflecta atomi sau molecule de înaltă energie, va schimba fluxurile și, prin urmare, va lansa procese complet diferite în cadrul sistemului. Un proces similar poate fi realizat folosind dispozitivul nostru cuantic.
Reprezentare schematică a demonului lui Maxwell. Foto: Commons.wikimedia.org
Am arătat că, deși mecanica cuantică, în general, asigură tocmai această lege foarte clasică a termodinamicii și asigură ordinea naturală a lucrurilor, este posibil să se creeze artificial condiții în care acest proces poate fi perturbat. Adică, acum Demonul cuantic al lui Maxwell - cu alte cuvinte, un atom artificial (de obicei se numește qubit, adică un bit cuantic) este capabil să se asigure că căldura este transferată de la un obiect rece la un obiect fierbinte și nu invers. . Aceasta este principala știre în activitatea noastră.
În viitorul apropiat, intenționăm să creăm un frigider cuantic în care vom inversa experimental fluxurile naturale de căldură. În același timp, superfrigiderul nostru nu va putea cheltui energie în transformări în sine, ci (într-un fel) o va extrage dintr-o sursă care poate fi situată la câțiva metri distanță de ea. Din acest punct de vedere, frigiderul nostru cuantic va fi (local) absolut eficient din punct de vedere energetic. Pentru a evita neînțelegerile, este important să subliniem că atunci când se ia în considerare o sursă de energie îndepărtată, valabilitatea celei de-a doua legi a termodinamicii este restabilită, iar ordinea mondială în ansamblu nu va fi perturbată.
În ceea ce privește domeniul de aplicare al Demonului cuantic al lui Maxwell, i.e. dispozitivul nostru, atunci în primul rând acesta este, desigur, domeniul mecanicii cuantice. Ei bine, de exemplu, un computer obișnuit se încălzește adesea în timpul funcționării, același lucru se întâmplă cu dispozitivele cuantice, doar că acolo aceste procese sunt și mai critice pentru funcționarea normală. Le vom putea răci sau niște microcipuri individuale. Acum învățăm să facem acest lucru cu o eficiență de aproape 100%.
Și, desigur, astfel de experimente vor face posibilă în viitor să vorbim despre crearea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea tip. Nu vor fi necesare baterii, motorul va putea extrage energie din cel mai apropiat rezervor termic și o va folosi pentru a muta unele nanodispozitive.
O mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel este o mașină care, atunci când este pusă în mișcare, ar transforma în lucru toată căldura extrasă din corpurile înconjurătoare. Conform legilor termodinamicii, este încă considerată o idee nerealizabilă.
Fizicieni din Finlanda, Rusia și SUA au fost pionierul demonului electron autonom al lui Maxwell. Autorii au publicat rezultatele cercetării lor în revista Physical Review Letters. Care sunt demonii lui Maxwell și cum pot interfera aceștia cu funcționarea computerelor, spune Lenta.ru.
Intriga în jurul demonilor lui Maxwell a persistat în știință timp de 150 de ani. Conceptul de ființă supranaturală a fost propus în 1867 de către fizicianul britanic James Clerk Maxwell. Vorbim despre un anumit dispozitiv care funcționează în așa fel încât să ducă la o încălcare (aparent) a celei de-a doua legi a termodinamicii - una dintre cele mai fundamentale legi ale naturii.
În experimentul său de gândire, Maxwell a luat o butelie de gaz închisă și a împărțit-o în două părți cu un perete interior cu o trapă mică. Prin deschiderea și închiderea trapei, demonul lui Maxwell separă particulele rapide (fierbinte) și lente (reci). Ca urmare, în cilindru apare o diferență de temperatură, iar căldura este transferată de la un gaz mai rece la unul mai fierbinte, ceea ce ar părea să contrazică cea de-a doua lege a termodinamicii.
A doua lege a termodinamicii determină direcția proceselor fizice. În special, după cum a arătat fizicianul german Rudolf Clausius, face imposibil transferul spontan (adică fără a lucra) de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte sau, ceea ce este același lucru, o scădere a entropiei (un măsura dezordinei) a unui sistem izolat. În formularea francezului Sadi Carnot, această lege sună așa: un motor termic cu un coeficient acțiune utilă sută la sută imposibil.
A doua lege a termodinamicii a fost formulată în cele din urmă în secolul al XIX-lea. Apoi a fost o lege pentru o serie de cazuri speciale (natura sa fundamentală a devenit mai clară mai târziu). Fizicienii au căutat contradicții în ea, iar una dintre ele (împreună cu moartea termică a Universului) a fost prezentată de Maxwell într-o scrisoare către colegul său Peter Tate.
Paradoxul a atras imediat atenția oamenilor de știință și a iubitorilor de știință. În secolul al XX-lea, faima demonului lui Maxwell a fost eclipsată de pisica (sau pisica) lui Schrödinger. Între timp, ca un animal de companie din mecanica cuantică, demonul fizicianului britanic a servit drept sursă a multor descoperiri importante. În special, datorită lui, a apărut teoria termodinamică a informațiilor și ideea conexă a entropiei informaționale.
În anii 1960, Rolf Landauer, cercetător la compania americană IBM (International Business Machines), a formulat principiul care îi poartă numele. El a conectat pierderea unui pic de informații în orice sistem fizic cu eliberarea unei cantități corespunzătoare de căldură (sau, ceea ce este același, o creștere a entropiei termodinamice). Lucrarea lui Landauer a avut o semnificație fundamentală pentru calcul, care continuă până în zilele noastre. Expresia, numită după Landauer, precum și după americanii Claude Shannon și John von Neumann, permite să se determine limita caracteristici fizice dispozitive (în primul rând puterea și dimensiunea) în care informațiile sunt distruse. Procesoarele create de om au trecut de la disiparea de miliarde de ori mai multă căldură decât cea prevăzută de principiul lui Landauer la cea de astăzi de doar mii de ori mai mult.
Să existe o celulă de memorie care să conțină informații codificate în biți (cu valorile zero și unu). Dacă îl distrugi (adică îl transformi într-o stare care conține doar zerouri sau unu), căldura va fi eliberată. În limbajul termodinamicii, aceasta înseamnă că entropia sistemului se transformă la zero, deoarece a fost atinsă starea maximă ordonată (descrisă doar prin zerouri sau unu). Lui Landauer îi plăcea să repete că „informația este o cantitate fizică”, acesta era motto-ul său.
Pentru prima dată, oamenii de știință din Franța și Germania au măsurat căldura degajată atunci când un pic de informații este distrus. Celula de memorie era o sferă de cuarț cu un diametru de doi micrometri plasată în apă. Folosind pensete optice, fizicienii au creat o pereche de găuri potențiale în care mărgele ar putea ajunge. Aceste stări ale sistemului corespundeau valorilor logice zero și unu. Când sistemul a fost transferat într-o singură stare, informațiile au fost șterse. Mașina a ținut cont de multe nuanțe, în special de fluctuații, al căror rol a crescut odată cu scăderea adâncimii gropilor. Folosind Rapid, fizicienii au observat trecerea unui sistem de la o stare la alta. Procesul a fost însoțit de degajare de căldură, temperatura apei a crescut, iar acest lucru a fost înregistrat. Datele obținute s-au dovedit a fi apropiate de cele prezise de principiul lui Landauer.
Dar ce legătură are demonul lui Maxwell cu asta? Cert este că atunci când sortează moleculele calde și reci în experimentul de gândire al lui Maxwell, demonul acumulează informații despre vitezele particulelor. La un moment dat, memoria devine plină și demonul trebuie să o ștergă pentru a continua să funcționeze. Acest lucru necesită o muncă exact egală cu munca care ar putea fi extrasă teoretic dintr-un sistem de particule calde și reci. Adică, a doua lege a termodinamicii nu este încălcată. Cu toate acestea, apare o întrebare metafizică despre entitatea care șterge memoria demonului. Ar putea fi un fel de super demon care influențează un demon minor? Răspunsul la această întrebare a fost propus pentru prima dată în 1929 de unul dintre participanții la Proiectul Manhattan, fizicianul american Leo Szilard. Dispozitivul care poartă numele lui oferă demonului lui Maxwell o funcționare autonomă.
Oamenii de știință japonezi au reușit să o implementeze pentru prima dată în 2010. Modelul lor electromecanic este o sferă de polistiren cu un diametru de aproximativ 300 de nanometri plasată într-un electrolit. Câmpul electromagnetic a împiedicat mișcarea mărgelei în jos, drept urmare a câștigat energie mecanică (potențială) proporțională cu munca câmpului. Demonul lui Maxwell într-un astfel de sistem era observatorul și instrumentele sale științifice, a căror funcționare necesită energie. Această din urmă împrejurare nu permite încălcarea a doua lege a termodinamicii. Spre deosebire de oamenii de știință japonezi, colegii lor din Finlanda, Rusia (Ivan Khaimovich de la Institutul de Fizică a Microstructurilor al Academiei Ruse de Științe) și SUA au creat pentru prima dată nu o mașină Szilard electromecanică, ci complet electronică (demonul autonom al lui Maxwell) .
Sistemul se bazează pe un tranzistor cu un singur electron, care formează o mică insulă de cupru conectată la două terminale supraconductoare din aluminiu. Demonul lui Maxwell controlează mișcarea electronilor de diferite energii într-un tranzistor. Când particula se află pe insulă, demonul o atrage cu o încărcare pozitivă. Dacă un electron părăsește insula, demonul îl respinge cu o sarcină negativă, ceea ce face ca temperatura tranzistorului să scadă și să crească temperatura demonului.
Demonul efectuează toate manipulările în mod autonom (comportamentul său este determinat de tranzistor), iar schimbările de temperatură indică o corelație între acesta și sistem, așa că pare că demonul lui Maxwell știe despre starea sistemului și este capabil să-l controleze. Demonul electronic face posibilă efectuarea unui număr mare de măsurători într-o perioadă scurtă de timp, iar temperaturile scăzute din sistem fac posibilă înregistrarea unor modificări extrem de mici ale acestuia. De asemenea, acest sistem nu încalcă a doua lege a termodinamicii și este în concordanță cu ideea intuitivă că informațiile pot fi folosite pentru a lucra.
De ce au nevoie oamenii de știință de astfel de cercetări? Pe de o parte, ele prezintă un clar interes academic, deoarece permit studiul fenomenelor microscopice în termodinamică. Pe de altă parte, ele arată cât de importantă este producția de entropie din informațiile primite de demon. Acesta este exact ceea ce autorii studiului cred că poate fi util pentru proiectarea qubiților (analogi cuantici ai biților clasici) ale computerelor cuantice, chiar și în ciuda progresului emergent în calculul reversibil, o poveste despre care depășește scopul acestui articol.
Experimentul de gândire este următorul: să presupunem că un vas cu un gaz este împărțit de o partiție impenetrabilă în două părți: dreapta și stânga. În compartimentul despărțitor există o gaură cu un dispozitiv (așa-numitul demon al lui Maxwell), care permite moleculelor de gaz rapide (fierbinți) să zboare numai din partea stângă a vasului spre dreapta și moleculelor lente (reci) numai din partea dreaptă a vasului spre stânga. Apoi, după o perioadă lungă de timp, moleculele „fierbinte” (rapide) vor ajunge în vasul drept, iar cele „reci” vor „rămâne” în cel stâng.
Astfel, se dovedește că demonul lui Maxwell vă permite să încălziți partea dreaptă a vasului și să răciți partea stângă fără alimentare suplimentară cu energie a sistemului. Entropia pentru un sistem format din părțile din dreapta și din stânga ale vasului în starea inițială este mai mare decât în starea finală, ceea ce contrazice principiul termodinamic al entropiei nedescrescătoare în sistemele închise (vezi a doua lege a termodinamicii)
Paradoxul este rezolvat dacă luăm în considerare un sistem închis care include demonul lui Maxwell și vasul. Pentru ca demonul lui Maxwell să funcționeze, energia trebuie să fie transferată către el de la o sursă terță parte. Datorită acestei energii are loc separarea moleculelor calde și reci din vas, adică trecerea la o stare cu entropie mai mică. O analiză detaliată a paradoxului pentru implementarea mecanică a demonului (clichet și clichet) este dată în Feynman Lectures on Physics, voi. 4, precum și în prelegerile populare ale lui Feynman „Natura legilor fizice”.
Odată cu dezvoltarea teoriei informației, s-a constatat că procesul de măsurare poate să nu conducă la o creștere a entropiei, cu condiția ca acesta să fie reversibil termodinamic. Cu toate acestea, în acest caz, demonul trebuie să-și amintească rezultatele măsurării vitezei (ștergerea lor din memoria demonului face ca procesul să fie ireversibil). Deoarece memoria este finită, la un anumit moment demonul este forțat să ștergă rezultatele vechi, ceea ce duce în cele din urmă la o creștere a entropiei întregului sistem în ansamblu.
Succesul fizicienilor japonezi
Pentru prima dată, fizicienii japonezi au reușit să obțină experimental o creștere a energiei interne a unui sistem, folosind doar informații despre starea acestuia și fără a-i transfera energie suplimentară.
Generarea de energie din informație a fost descrisă pentru prima dată teoretic de fizicianul britanic James Maxwell în experimentul său de gândire. În ea, o creatură, numită mai târziu „demonul lui Maxwell”, păzea ușa dintre două camere. Demonul, cunoscând energia moleculei care se apropie de ușă, deschide trecerea doar pentru moleculele „rapide”, închizând ușa în fața celor „încete”. Ca rezultat, toate moleculele „rapide” vor fi într-o cameră, iar toate cele lente în cealaltă, iar diferența de temperatură rezultată poate fi folosită în scopuri practice.
Implementarea unei astfel de centrale „demonice” necesită costuri de energie mult mai mari decât pot fi extrase din diferența de temperatură rezultată, astfel încât motoarele reale care funcționează pe acest principiu nu au fost niciodată luate în considerare serios de oamenii de știință. Cu toate acestea, interesul pentru astfel de sisteme a reapărut recent odată cu dezvoltarea nanotehnologiei.
Autorii studiului, fizicieni japonezi conduși de Masaki Sano de la Universitatea din Tokyo, au pus în practică un experiment de gândire care implică „demonul lui Maxwell”.
Oamenii de știință au folosit un obiect polimer de aproximativ 300 de nanometri, care seamănă cu o mărgele. Forma sa este aleasă astfel încât rotirea în sensul acelor de ceasornic să fie mai benefică din punct de vedere energetic, deoarece aceasta este însoțită de eliberarea de energie mecanică. Rotirea în sens invers acelor de ceasornic, dimpotrivă, duce la „răsucirea” margelei și la o creștere a energiei mecanice stocate în ea.
Margea a fost plasată într-o soluție specială și, datorită dimensiunilor sale mici, a început să ia parte la mișcarea browniană și să se rotească - atât în sensul acelor de ceasornic, cât și în sens invers acelor de ceasornic.
Cercetătorii au folosit echipamente speciale pentru a urmări fiecare rotație a mărgelei și, pe măsură ce aceasta se rotea în sens invers acelor de ceasornic, au aplicat o tensiune electrică containerului în care se afla. Această operațiune nu a transferat energie suplimentară sistemului, dar, în același timp, nu a permis ca șiragul să se „desfășoare” înapoi. Astfel, folosind doar informații despre unde s-a întors șiragul, oamenii de știință au reușit să-și mărească aportul de energie mecanică numai datorită energiei mișcării browniene a moleculelor.
Legea conservării energiei nu este încălcată. Conform calculelor lui Sano, eficiența conversiei informațiilor în energie în experimentul lor a fost de 28%, ceea ce este în concordanță cu calculele teoretice.
Un astfel de mecanism ar putea fi folosit pentru a opera nanomașini sau mecanisme moleculare, spune Vlatko Vedral, un fizician de la Universitatea din Oxford care nu a luat parte la experimentul lui Sano, a cărui opinie este citată de publicația online Nature News.
„Ar fi foarte interesant să descoperim utilizarea acestui principiu de transfer de energie în sistemele vii”, a adăugat omul de știință.