В 1867 году английский физик, механик и математик Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент, который стал известен, как "демон Максвелла". Посредством этого мысленного эксперимента Максвелл хотел продемонстрировать парадокс Второго закона термодинамики. Центральная роль в эксперименте отводится воображаемому крохотному существу или механизму, для которого позднее придумали название в честь ученого "демон Максвелла"
Суть эксперимента
Допустим, что перегородка из абсолютно непроницаемого материала делит емкость с газом на две одинаковые части. В перегородке есть микроотверстие, через которое какое-то гипотетическое устройство (демон Максвелла), позволяет проходить быстрым "горячим" молекулам только в правую часть емкости из левой части, а "холодные" частицы газа пропускает только в левую часть из правой.
Теоретически, по прошествии большого отрезка времени все холодные частицы скопятся на левой стороне, а горячие - в правой части. Горячий газ после разделения можно было бы использовать для совершения какой-либо полезной работы. В итоге, у нас получилось, что без дополнительных затрат внешней энергии демон Максвелла способен охлаждать одну часть емкости с газом и нагревать другую. Таким образом энтропия системы из двух равных частей в конце эксперимента оказывается меньше, чем при его начале. Такое положение дел не согласуется с принципами термодинамики, так как из второго закона следует, что тепло от тела с низкой температурой без совершения работы нельзя передать телу с более высокой температурой.
Этот мысленный эксперимент вызвал бурные дискуссии и создал толчок к изучению связи между термодинамикой и теорией информации.
Разрешение парадокса демона Максвелла
Этот парадокс решается, если рассматривать систему в эксперименте целиком, включая демона Максвелла и емкость с газом. Для работы устройства, "фильтрующему" теплые и холодные молекулы газа, нужно было бы передавать энергию извне,а разделение частиц газа происходило бы при помощи этой энергии.
Если этот "демон" мог бы существовать на самом деле, то стало бы возможным создание теплового механизма, работающего без потребления энергии. Однако, на определенном этапе развития теории информации стало известно о том, что измерение (в случае, если этот процесс обратим термодинамически) может не увеличивать энтропию. Но тогда демон Максвелла должен сохранять все результаты измерения скорости частиц, так как в противном случае процесс измерения будет необратимым. Вследствие того, что объемы запоминаемой демоном информации не могут быть бесконечными, то в какой-то момент ему будет нужно удалить старые результаты и это в конце-концов приведет к увеличению энтропии системы.
В июле 2018 года команда физиков в журнале Physical Review Letters опубликовала результаты проведенных исследований, согласно которым существование демона Максвелла возможно на квантовом уровне. Но, не смотря на это, ряд ученых утверждают, что даже теоретические разработки исключают возможность практического создания любого устройства, нарушающего второе начало термодинамики.
Как вы считаете смогут ли ученые когда-нибудь создать демона Максвелла? Оставляйте свое мнение в комментариях.
Если вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!