ما هو شيطان ماكسويل؟

أيقظ الشيطان بداخلك ب7 خطوات - الهندسة الاجتماعية للشر (أبريل 2019).

Anonim

شيطان ماكسويل هو كيان افتراضي استحضره الفيزيائي جيمس كلارك ماكسويل في واحدة من تجاربه الفكرية حول عام 1871. تألفت التجربة الفكرية من جهاز يستخرج العمل من نظام منعزل ، على الرغم من وجوده في حالة توازن ، في درجة حرارة موحدة واحدة.

إن كيان ماكسويل الأساسى هو نوع من الإغراء السابق الذى يناقض أو قد ابتكر بطريقة ذكية حول ما هو أكثر قوانين الكون جوهرية ولا نزاع فيها: القانون الثانى للديناميكا الحرارية. وبطبيعة الحال ، فإن فكرة استخراج العمل أو الطاقة من شيء يبدو أنه حير لزملائه - من المؤكد أن هذا قد يعني نهاية تغذية الفحم بلا كلل لمحرك بخاري مفترس؟ وجبة غداء مجانية!

ليس أساسيا الآن هو؟

حسنا ، ليس حقا. لفهم كيفية عمله ، يجب علينا أولاً أن نفهم ما الذي ينطوي عليه هذا القانون ، ولماذا يكتشف اكتشاف ثغرة بحدوث شغب.

الأنظمة المعزولة والقانون الثاني للديناميكا الحرارية

(Photo Credit: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

يحكم القانون اتجاه تدفق الحرارة بين جسمين أو منطقتين غير متطابقتين من حيث درجة حرارتهما. تنص على أن جسمين من درجات حرارة مختلفة ، عندما يتعرف كل منهما على الآخر ومعزول عن محيطه ، سوف يتطوران إلى توازن ديناميكي حراري حيث يكون للجهتين نفس درجة الحرارة تقريبًا. ولكي يحدث ذلك ، يمكن استنتاج منطقيا أن الحرارة يجب أن تتدفق من جسم درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة منخفضة.

ومع ذلك ، يمكن للحرارة أن تتدفق في الاتجاه المعاكس ، بشرط أن يساعدها نظام آخر (نظام غير معزول).

فكر في هذا التبادل مثل تبادل الماء بين دلاء. هنا ، يمكن تصوير فكرة درجة الحرارة من خلال كمية المياه التي تحتوي على دلو. ثم يتم توضيح كائن من درجة حرارة أعلى من خلال دلو مع المزيد من المياه في حين أن درجة حرارة أقل من دلو مع ماء أقل.

إذا كانت الجرافات ملتصقة الآن مع أنبوب ضيق ، كما هو موضح في الشكل أدناه ، ستلاحظ أن الماء سيتدفق من الدلو الذي يحتوي على المزيد من المياه في المياه المجاورة حتى مستويات المياه مع الفتحة. الآن لا يستمر تدفق المياه ، وهذا يدل على بداية التوازن. لاحظ أن هذا الإعداد يمثل نظامًا معزولًا.

الآن ، يمكن أن يتدفق الماء أيضًا في الاتجاه الآخر: من الدلو الفقير إلى الدلو الكامل ، ولكن لا يمكن تحقيقه إلا من خلال العمل على السابق: إما عن طريق إمالة ذلك إلى درجة بحيث تتدفق المياه عبر النفق الضيق أو ملئه بالماء الزائد من دلو ثالث ، في كلتا الحالتين يتضمن مساعدة خارجية. يمثل هذا الإعداد نظامًا غير معزول.

هذا واضح في الثلاجات أو مكيفات الهواء حيث يتم الحصول على نسيم بارد على حساب دفء نظام آخر - المكثف.

يمكن تعريف القانون أيضًا من حيث الإنتروبيا ، وهو مقياس للاضطراب الإحصائي أو عشوائية النظام. من حيث العشوائية ، في نظام معزول ، سوف تزيد الكون فقط. من ناحية أخرى ، في نظام غير معزول ، يشهد عملية عكسها ، الانتروبي هو ثابت. ومع ذلك ، مرة أخرى ، فإن الثبات يأتي على حساب المحيط - والحرارة المنفية تضيف الإنتروبيا إلى الكون كله في الكون. الزيادة في حسابات الانتروبيا لا رجعة فيها العمليات الطبيعية.

وبالتالي ، فإن استخراج الطاقة من نظام التوازن أمر مستحيل ، ولكن كيف يفعل الشيطان ذلك؟

Maxwell's Demon - The Loophole

هذا يتعارض مع الاتفاقية بأن جزيئات الغاز عند درجة حرارة ثابتة تتنقل في نفس السرعة. ومع ذلك ، فإن هذه السرعة نفسها هي سرعتها المتوسطة ، مما يعني أن هناك جسيمات تسير أسرع من ذلك ، وأن الجسيمات التي تسير أبطأ ، الأمر الذي ينفي بعضها البعض إلى متوسط.

من خلال هذه العملية البسيطة ، يتم بعد ذلك تجميع كل الجسيمات ذات الطاقات العالية في غرفة واحدة. رفع الشيطان درجة حرارة غرفة واحدة مقارنة بالآخر. يمكن استخدام هذه الحرارة الزائدة أو الضغط لتشغيل توربين أو دفع مكبس ، نعم ، من أي شيء ملموس . لوضع هذا بطريقة أخرى ، فقد انخفض شيطان الكون دون أي نفقات العمل!

فكر ماكسويل في هذه الفكرة المثيرة بعد منعه من دخول نادٍ ، لأنه كان رجلاً مهووساً.

لا بد من إدراك أن الشيطان بطرقه الخبيثة يتناقض مع قانون الإنتروبيا ، لكنه لم ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة. لقد قامت فقط بإعادة توزيع الطاقة الحركية العشوائية لتوليد فرق الضغط ، بحيث يمكن حصاد الطاقة من نظام متوازن في البداية! لقد خدعت حيلة الشيطان الطبيعة نفسها.

هل يمكن لجهاز مثل هذا موجود بالفعل؟

أحيانا أشعر بأن أبي ثلاجتي شديد الصعوبة عليه.

وبالمثل ، إذا كان الشيطان هو آلة متقدمة للغاية تبحث بشكل انتقائي عن جزيئات معينة ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو من أين تحصل على طاقتها من العمل؟ وحتى إذا حدث ذلك ، فإن التمديد المتعلق بالكفاءة الحرارية لآلة ما زال ينفي إمكانية انخفاض الإنتروبيا.

سيتعين على الشيطان أو الآلة الحصول على معلومات تتعلق بالجسيمات ، على سبيل المثال ، لنفترض اكتشاف الفوتونات. في عملية التفاعل معهم ، ستقوم الآلات المعقدة مثل هذا باستنزاف الطاقة حتمًا وامتصاص بعض الحرارة نفسها ، وبالتالي زيادة صافي الانتروبي إلى القيمة الأولية.

إن جوهر الحجة هو أنه من خلال الحساب ، فإن أي شيطان يجب أن "يولد" المزيد من الإنتروبيا يفصل الجزيئات عن تلك التي يمكن القضاء عليها من خلال المبادئ التي تقوم عليها. بمعنى أن الأمر يتطلب المزيد من العمل الحراري الديناميكي للكشف عن سرعة الجزيئات والسماح لهم بالمرور عبر الفتحة بين الغرف من كمية الطاقة المكتسبة بفارق درجات الحرارة الذي تسببه العملية.

بعد كل ما يقال ويفعل ، يجب على المرء أن يقدر سرور ماكسويل. ومع ذلك ، إذا لم يكن في القانون الأول ، لا يمكن لأحد أن ينقذ القانون الثاني من كونه مظلومًا علنيًا. لا توجد وجبات مجانية بعد كل شيء!