Imp. Lui Maxwell

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Micul diavol al lui Maxwell este un experiment gândit conceput de James Clerk Maxwell despre posibilitatea teoretică a unui dispozitiv capabil să acționeze la scară microscopică asupra particulelor individuale pentru a produce o încălcare macroscopică a celei de-a doua legi a termodinamicii . În acest fel, ar putea produce o variație de temperatură între două corpuri, fără nici o cheltuială de energie.

„... dacă concepem o ființă cu o vedere atât de acută, încât poate urmări fiecare moleculă în mișcare, o astfel de ființă, ale cărei atribute sunt în esență la fel de finite ca a noastră, ar putea face ceea ce este imposibil pentru noi”

( James Clerk Maxwell )

Experimentul de gândire al lui Maxwell

Fără note de subsol
Acest articol sau secțiune despre subiectul fizicii lipsește sau lipsește de note specifice și referințe bibliografice .
Deși există o bibliografie și / sau legături externe , nu există o contextualizare a surselor cu note de subsol sau alte referințe precise care indică cu exactitate originea informațiilor. Puteți îmbunătăți această intrare citând mai precis sursele . Urmați sfaturile de proiectare de referință .

Maxwell descrie experimentul într-un mod simplu și ușor de imaginat: de fapt, considerăm două containere imaginare, A și B , umplute cu un gaz identic și la aceleași temperaturi, așezate una lângă alta, separate doar de o trapă mică de deschidere cu care este posibil să puneți cele două camere în comunicare.

Micul diavol deschide trapa mică când vede o moleculă îndreptându-se spre ea.

Un mic diavol stă de pază peste ușa capcanei, ținându-l închis și urmărind cum moleculele se agită în cele două recipiente diferite. Când o moleculă mai rapidă decât celelalte se îndreaptă spre ușa capcanei, diavolul o deschide și lasă molecula să treacă din containerul A în containerul B. Viteza medie a moleculelor din B este, prin urmare, crescută de fiecare dată, în timp ce cea a moleculelor din A iese diminuat. După cum se știe, creșterea vitezei medii a moleculelor corespunde unei creșteri a temperaturii. Prin urmare, intervențiile ulterioare ale micului diavol implică scăderea temperaturii în A și creșterea celei în B: aceasta este în contradicție cu a doua lege a termodinamicii .

Ideea se bazează pe faptul că al doilea principiu, spre deosebire de primul , are un caracter statistic. Dacă acceptăm că putem descrie un gaz (sau, în general, un corp macroscopic) ca un set de particule (posibil interacționând), putem reinterpreta starea de echilibru termodinamic a unui sistem închis ca fiind cel mai probabil și, prin urmare, cel mai frecvent creat de particulele. Nimic nu împiedică existența unor fluctuații termodinamice care pot aduce sistemul într-o altă stare decât cea de echilibru: sunt excluse numai pe baza improbabilității lor, nu din motive fizice codificate în legile mecanicii . Micul diavol ar trebui atunci să fie un dispozitiv de un fel, care funcționează conform acestor legi, dar la nivel microscopic.

Implementare practică

De pe vremea lui Maxwell, au fost propuse numeroase versiuni ale sistemului termodinamic. Într-una dintre cele mai simple, se produce o diferență de presiune în loc de temperatură, permițând tuturor moleculelor, indiferent de viteza lor, să treacă de la B la A, însă împiedicându-le să se deplaseze în direcția opusă. După un timp scurt, majoritatea moleculelor se vor concentra în A, în timp ce un vid parțial va fi produs în B. Acest mic diavol pare mult mai probabil decât creatura originală a lui Maxwell, deoarece nu are nevoie să poată vedea și gândi. Nu există niciun motiv imediat evident care să împiedice producerea acestui imp, de exemplu cu o supapă de curgere unidirecțională pentru molecule, folosind dispozitive neînsuflețite, cum ar fi o clapetă cu arc mic. La fel ca imp. Maxwell, acest dispozitiv de presiune ar putea fi o sursă nelimitată de energie pentru multe mașini.

Motivele imposibilității

Dintre multele soluții posibile similare celei propuse, niciuna nu a fost implementată. De îndată ce intrăm în detaliu, încercând să modelăm concret micul diavol, de exemplu ne întrebăm cum putem construi un sept cu proprietățile menționate mai sus, întâlnim o serie de probleme non-banale care sugerează o natură fundamentală a celui de-al doilea principiu, ceea ce nu este, prin urmare, încălcabil cu trucuri de acest fel. Una dintre aceste probleme este legată de faptul că este necesar să se identifice particulele (de exemplu pentru a determina dacă acestea provin dintr-o parte sau alta a septului) printr-un mecanism care necesită, în general, energie (de exemplu, trimiterea unui foton ) și că este necesar să se implementeze o structură decizională care să permită diavolului să acționeze diferit în funcție de direcția de origine a moleculei (diavolul trebuie deci modelat ca un computer , care are nevoie de energie pentru a funcționa). În special, domeniul de studiu care tratează aceste probleme este cel al informațiilor cuantice . Principiul lui Landauer afirmă că eliminarea unor biți de informații produce o cantitate de căldură care nu poate fi scăzută dincolo de o anumită limită. Prin urmare, principiul lui Landauer confirmă a doua lege a termodinamicii și a fost demonstrat experimental. [1] [2]

Aplicarea teoremei recidivei a lui Poincaré

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: teorema recurenței .

Conform teoremei recurenței a lui Henri Poincaré , există o probabilitate diferită de zero ca sistemul descris, într-un timp suficient de lung, să evolueze spontan către starea finală care ar fi produsă de acțiunea „diavolului mic” [3] .

Deși această predicție pare să contrazică a doua lege a termodinamicii , trebuie totuși considerat că timpul de recurență poate fi atât de lung încât să frustreze orice încercare de verificare experimentală. Într-adevăr, Ludwig Boltzmann , răspunzând criticilor lui Ernst Zermelo asupra acestei aparente contradicții între mecanică și termodinamică, a estimat timpul de recurență pentru un sistem de particule aproximativ egale secunde. Deci, chiar și cu doar 41 de particule, timpul necesar teoremei ar fi mult mai mare decât vârsta Universului .

În cultura de masă

  • În romanul Luni începe sâmbăta de frații Strugatsky (1964-1965), doi demoni „macro” ai lui Maxwell (Access și Sortie) servesc ca deschizători de drumuri la Institutul Solovets pentru Cercetări Științifice despre Vrăjitorie și Vrăjitorie. Ei trebuie controlați, pentru că uneori se lasă distrași și își uită îndatoririle.
  • În ciclul de povești Cyberiade al lui Stanislaw Lem (1965), „al șaselea efort” al constructorilor Trurl și Klapaucius este dedicat așa-numiților demoni de clasa a II-a, modelat pe tipul micului diavol al lui Maxwell (demoni de primă clasă, în text). În special, al doilea tip demon extrage „informații” din ciocnirile dintre atomi și particule.

Notă

  1. ^ (EN) Antoine Bérut, alții, Verificarea experimentală a principiului lui Landauer care leagă informația și termodinamica , în Nature , nr. 483, 8 martie 2012, pp. 187–189, DOI : 10.1038 / nature10872 .
  2. ^ Costul inevitabil al ștergerii unui bit , în Științe , 8 martie 2012.
  3. ^ Guido Gentile, mecanica Lagrangiană și Hamiltoniană , cap 16. Mecanica Hamiltoniană , pp. 149-151, Universitatea din Roma 3 ]

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Termodinamica Portalul Termodinamicii : accesați intrările Wikipedia care se referă la Termodinamică
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Diavoletto_di_Maxwell&oldid=122199571 ”