Демон Максвелла

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Демон Максвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Содержание 1 Второе начало термодинамики 2 Суть парадокса 3 В художественной литературе 4 Ссылки

[править] Второе начало термодинамики

Бытуют много следствий из умозрительного эксперимента Клаузиуса. Одним из следствий является второе начала термодинамики, а одной из его формулировок является утверждение о том, что отсутствует возможность передачи тепла от тела с меньшей температурой телу с большей температурой без совершения работы.

На международной конференции www.vt21.ru , 23 апреля 2009г, золотую медаль получил доклад^{[источник?]}, во время которого демонстрировался преобразователь теплоты окружающей среды в электрический постоянный ток. Суть преобразователя заключается в возможности выпрямления токов внешней цепи шумящего резистора - электрического проводника, в котором случайные блуждания электронов наводят на его выводах шумовое напряжение, а мощность шумового тока во внешней цепи подсчитывается по формуле Найквиста. Практически показано, что в корпусе флэш памяти ёмкостью на 2GB помещаются 32 миллиарда выпрямителей и шумящих проводников. Суммарная мощность многих выпрямителей шума, размещённых в корпусе микросхемы может достигать 100 Вт. (700 кВт с квадратного метра). Электроэнергией, полученной таким образом, можно нагревать любой объект, при любой температуре. Получается, что теплота самопроизвольно, от температуры шумяших проводников, например 300 Кельвин, будет передаваться объекту (например, электрической дуге, имеющей температуру 2000 Кельвин). Если электроэнергия будет возбуждать лазер, а лазер будет нагревать плазму - то энергия самопроизвольно - без затрат извне - передастся на температуру в миллионы градусов! Как расценивать данный факт? Очевидно, формулировку следует изменить и логичной она будет только в следующей редакции: "Одним из следствий второго начала термодинамики является невозможность передачи тепла от тела с меньшей температурой телу с большей температурой при непосредственном тепловом контакте этих тел.

[править] Суть парадокса

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда, через большой промежуток времени, горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а холодные — в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (см. Второе начало термодинамики)

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».^[1]

Частным случаем вышеописанной ситуации является гигантская флуктуация — с не равной нулю вероятностью все горячие молекулы соберутся в правом сосуде, а все холодные в левом.

[править] В художественной литературе

• В повести «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких демоны Максвелла приспособлены администрацией НИИЧАВО открывать и закрывать входные двери института. Также, в повести "Стажеры", рассказывается о гигантской флуктуации - ваза с водой забрала в себя энергию комнаты, в которой она находилась, довела себя до кипения, в комнате же выпал иней.
• В «Кибериаде» Станислава Лема демон Максвелла упоминается как «демон первого рода». Герои книги создают «демона второго рода», способного извлекать осмысленную информацию из движения молекул воздуха.
• В фэнтези Кристофера Сташефа «Маг при дворе Ее Величества», «Маг, связанный клятвой» демон Максвелла вызван заклинанием и по свойствам напоминает волшебного джинна. Он соглашается выполнять желания главного героя, потому что тот хорошо знает законы физики. Выглядит как маленький светящийся уголёк.
• В своем одноименном эссе Кен Кизи переводит парадокс из области термодинамики в область социологии простой заменой «тепла» на «добро» и «холода» на «зло», доказывая таким образом несостоятельность западной системы ценностей.
• В произведении «Любой крутой чувак» Пол Ди Филиппо демоны Максвелла обеспечивают энергией страну «Земля Максвелла», находящуюся на территории Африки. На основе этой энергии строится политико-независимое научно-техническое утопичное общество.

[править] Ссылки

1. ↑ Фейнман P., Характер физических законов. Библиотечка «КВАНТ», Выпуск 62. — М.: Наука, Изд. второе, исправленное, 1987; Лекция 5. Различие прошлого и будущего.

п·о·р Мысленные эксперименты
Главные статьи	Мысленный эксперимент
Люди	Зенон Элейский · Шрёдингер · Эйнштейн
Персонажи	Демон Лапласа · Демон Максвелла · Кот Шрёдингера · Чайник Рассела · Ахиллес и черепаха
Физические мысленные эксперименты	Демон Лапласа · Демон Максвелла · Квантовое бессмертие · Квантовое самоубийство · Кот Шрёдингера · Парадокс Белла · Парадокс субмарины · Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена · Парадокс близнецов · Микроскоп Гейзенберга · Пушечное ядро Ньютона  · Парадокс Эренфеста
Апории Зенона	Ахиллес и черепаха · Дихотомия · Стадион · Стрела Зенона
Кибернетические мысленные эксперименты	Задача двух генералов · Китайская комната · Имитация реальности  · Мозг в колбе
Другие мысленные эксперименты	Теорема о бесконечных обезьянах · Парадокс Ньюкома · Парадокс заключённых  · Комната Марии