Maxwelli deemon ehk kuidas termodünaamika teisest seadusest mööda saada
Tere, kallid külalised ja minu kanali tellijad. Täna tahan teiega rääkida nn Maxwelli deemonist, mis tekkis teise termodünaamikaseaduse arutelu käigus. Nii et alustame.
Mitte ainult ulmeromaanidest võite leida mõne ebatavalise olendi, vaid isegi pealtnäha ülimalt ilukirjandusest kaugel osutub teadus nagu füüsika omaks kohta ebatavalistele ja isegi fantastilistele olenditele, näiteks deemonid.
Võib-olla oli kõige kuulsam selline olend nn Maxwelli deemon, mille lõi Maxwelli võrrandisüsteemi looja James Clerk Maxwell ise. Ja ta (deemon) leiutati termodünaamika teise seaduse ümber peetud aktiivse arutelu käigus.
Mida ütleb termodünaamika teine seadus?
Nii et vastavalt teisele dünaamikaseadusele on sellel piisavalt formuleeringuid, kuid samal ajal on füüsiline tähendus sama: süsteem, eraldatuna ei suuda iseseisvalt vähem järjestatud olekust üle minna järjestatumaks riik.
Kujutame näiteks ette teatud mahuga gaasi, kus molekulid liiguvad erineva kiirusega. Teise seaduse kohaselt ei ole gaas võimeline iseseisvalt jagunema kaheks pooleks, kus üks sisaldab madala kiirusega molekulidega gaasi ja teine suure kiirusega molekulidega gaasi.
Samuti liigitatakse suur hulk protsesse pöörduvateks. Nii võib näiteks tavalise vee külmuda ja pärast sulatamist saate jälle vedelat vett.
Metalli saab nii magnetiseerida kui ka seejärel magnetiseerida. On ka pöördumatuid protsesse, näiteks millegi põletamine. Kuid kõik need protsessid, vastavalt termodünaamika teisele seadusele, viivad kas süsteemi säilimise või tellimuste astme vähenemiseni.
See olukord kummitas ja häiris 19. sajandi teaduslikku meelt. Ja just sel ajal sõnastas Maxwell oma mitte triviaalse lahenduse, mis, nagu tol hetkel tundus, lubatud graatsiliselt mööda minna termodünaamika teisest seadusest ja takistada kaose paratamatut suurenemist kinnises süsteemi.
Ta korraldas sellise mõttekatse.
Mõttekatse ehk kuidas Maxwelli deemon ilmus
Maxwelli eksperimendi olemus:
Kujutage ette mahuti, mis on jagatud kaheks võrdseks pooleks. Veelgi enam, vaheseinas (see jagab anuma kaheks identseks osaks ja on endiselt absoluutselt gaasi läbilaskmatu) on mikroskoopiline avauks, mis võimaldab korraga läbi lasta ainult ühte gaasiaatomit.
Ja samal ajal täidetakse üks pool anumast täielikult gaasiga ja teine täidetakse puhta vaakumiga.
Kujutagem nüüd vaimselt ette, et sellele kontrollpunkti uksele esitatakse mikrovalvur, jälgides kõige tahtlikumalt gaasimolekule.
Ja samal ajal avab ta (valvur) kiirete molekulide läbipääsu ja laseb vaakumiga konteineri teise poolde ning jätab ebapiisavalt kiired sinna, kus nad olid.
On loogiline, et kui kontrollpunkti töö valvuriga kestab märkimisväärselt kaua, siis jagatakse gaas kaheks osaks. Ühel on jahutatud gaas aeglaste molekulidega ja teisel kuumade gaasimolekulidega kuum gaas.
Seega korraldatakse süsteem algseisundi suhtes ja seega rikutakse termodünaamika teist seadust.
Pealegi on saadud temperatuuri tasakaalustamatus töö saamiseks üsna vastuvõetav (vastavalt tsükli ja Carnoti teoreemile).
Ja see tähendab, et kui kurikuulus valvur jäetakse kontrollpunkti piiramatuks ajaks, siis ei saa me midagi muud kui igiliikuri.
Just seda valvurit-kontrollerit nimetasid teised teadlased Maxwelli deemoniks. Ja näis, et selles katses võeti kõike arvesse ja oh, kuidas see igavene liikumismasinale haiget ei tee. Kuid on üks märkimisväärne saak.
Mis on Deemon Maxwelli probleem
Peaaegu algusest peale seati mõttekatse kahtluse alla ja siin on põhjus:
Deemon-valvuri lõputu töö jaoks on vajalik energiavarustus footonivoo kujul, mis on vajalik sissetulevate molekulide valgustamiseks ja sõelumiseks.
Samuti ei saa deemon molekule sorteerides vaid molekulidega suhelda, mis tähendab, et nad ise saavad gaasist soojusenergiat. See tähendab, et entroopia paratamatult suureneb.
Ja sellise süsteemi kogu entroopia ei vähene kuidagi. See tähendab, et teist seadust ei rikuta.
Märkimisväärne vastulause Maxwelli Deemoni olemasolu vastu tekkis pärast kvantmehaanika sündi.
Nii et lendavate gaasimolekulide õigeks sorteerimiseks peab valvur nende kiirust täpselt mõõtma, mis on Heisenbergi ebakindluse järgi põhimõtteliselt võimatu. Samuti ei saa sama põhimõtte kohaselt molekuli täpset asukohta kindlaks määrata.
Ja see tähendab, et paratamatult tunnevad mõned molekulid, enne mida uks avatakse, sellest puudust.
See tähendab, et Maxwelli deemon on sisuliselt makroskoopiline elevant mikromaailma portselanipoes, kes elab oma reeglite järgi.
Ja kui teda (deemonivalvurit) esitatakse vastavalt kvantmehaanika seadustele, siis ei saa ta molekule sorteerida. Seetõttu pole see termodünaamika teisele seadusele ohtlik.
Nii hävitati füüsika müütiline olend - Maxwelli deemon.
Kui teile materjal meeldis, siis ärge unustage seda vastavalt oma soovile hinnata ja tellige ka.
Täname lõpuni lugemast!