Демон Максвелла

Возможно ли нарушение второго начала термодинамики?

В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантастические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено в процессе обсуждения второго начала термодинамики. Самым популярным из них стал демон Максвелла, которого придумал Джеймс Клерк Максвелл, автор знаменитой системы уравнений Максвелла, полностью описывающей электромагнитные поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями, не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся, в среднем, быстрее среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.

Многие физические процессы относятся к категории обратимых. Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова растопить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии; железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. Есть и необратимые в термодинамическом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п. То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упорядоченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озадачила физиков второй половины XIX столетия, и тогда Максвелл предложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный эксперимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.

Теперь представим, что к дверце приставлен некий микроскопический вахтер, зорко следящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контейнера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, что если такой мини-вахтер будет дежурить у дверцы достаточно долго, газ разделится на две половины: в верхней части останется холодный газ, состоящий из медленных молекул, а в нижней скопится горячий газ из быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено. Мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (см. Цикл и теорема Карно). Если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим вечный двигатель.

Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище «демон Максвелла», до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный двигатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в результате чего суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.

Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сформулирован вскоре после зарождения квантовой механики. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Иными словами, демон Максвелла на поверку оказывается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.

Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон Максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации — а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется.

Жаль демона — симпатичный был персонаж.


41
Показать комментарии (41)
Свернуть комментарии (41)

  • jserge2005  | 11.06.2005 | 07:18 Ответить
    Можно ли поподробнее узнать у автора(ов) статьи о опубликованных работах Лео Сцилларда на эту тему и соответствующие ссылки в интернете?

    С уважением,
    Сергей.
    Ответить
    • Hakki2005 > jserge2005 | 17.04.2006 | 20:36 Ответить
      Прочитай о опытах Срны-Тимощука о втором законе паровозов. Вокруг паровозов было замечено анамальное электромагнитное поле.
      Ответить
  • zhvictorm  | 28.09.2005 | 15:44 Ответить
    Вообще-то демонов было два. Первого и второго рода.
    Один выпускал молекулы с большей скоростью, а другой - с меньшей.
    Ответить
  • kodim  | 13.04.2006 | 09:31 Ответить
    Поразительное по беспомощности объяснение невозможности Демона Максвелла!
    В качестве аргумента привлекается аргумент о квантовой неопределенности мира! Следовательно, против невозможности существования демона в модельном термодинамическом мире, состоящем только из механических частиц аргументов у автора нет. Ведь если мир состоит из механических частиц, бессмысленно говорить о том, что демон "нагреется", о том, что ему нужно "освещать" частицы, чтобы определить, открывать ли перегородку и т.д.
    Простое соображение, что механическому демону нет необходимости освещать или иным образом взаимодействовать с частицами профессору в голову не пришло. Демон может, зная начальные импульсы и координаты всех частиц в сосуде просто вычислять моменты, когда к перегородке подлетает быстрая частица и открывать ее. Более того, при упругих соударениях никакого нагрева не происходит, соответственно, не повышается энтропия демона.
    Вообще корень трудностей профессора и всей современной физики - неясные представления об энтропии. Физики настаивают, что это - объективная категория, тогда как в ее определение входит субъективное понятие "беспорядок", "мера беспорядка". Никакой объективной меры беспорядка не существует.
    Ответить
    • algen > kodim | 13.04.2006 | 22:19 Ответить
      > Поразительное по беспомощности объяснение ... привлекается аргумент о квантовой неопределенности мира!

      Может, по-вашему, объяснение и беспомощное, но это не меняет того, что оно правильное. Невозможность демона Максвелла напрямую связана с квантовой неопределенностью.

      > Демон может, зная начальные импульсы и координаты всех частиц в сосуде просто вычислять моменты, когда к перегородке подлетает быстрая частица и открывать ее.

      Демон ничего такого знать не может. И главная причина тут - именно квантовая неопределенность. Но даже без нее в чисто механическом мире точное предсказание траекторий движения молекул оказывается невозможным из-за эффекта экспоненциальной расходимости траекторий, который изучается в теории математических бильярдов. Сколь угодно малая ошибка в знании начальных положений через короткое время превосходит любую заданную величину.

      Есть и еще одна причина. Чтобы демон мог отслеживать все положения молекул, он должен обладать достаточной памятью и уметь изменять ее содержимое по результатам воздействия на молекулы. Память это физическое устройство и обладает энтропией. Расчеты показывают, что энтропия, накапливающаяся этой памяти, как раз компенсирует (или превосходит) ее уменьшение в газе. (Все выкладки приводились в одной из статей журнала "В мире науки" еще в 1980-е годы, но дать ссылку я сейчас не могу.)

      > Вообще корень трудностей профессора и всей современной физики - неясные представления об энтропии.

      Энтропия действительно непростое понятие, но как раз в данном вопросе с ней все понятно.

      > Физики настаивают, что это - объективная категория, тогда как в ее определение входит субъективное понятие "беспорядок", "мера беспорядка".

      Вы ошибаетесь. В _определение_ энтропии понятие "беспорядок" не входит. Оно используется только при популярном, а, значит, образном и неточном объяснении этого понятия. Формальные определения энтропии (их, кстати, существует много) ничего подобного не содержат. Вот, например, два наиболее ходовых определения и физики:

      Энтропия - это величина, пропорциональная логарифму числа микросостояний, реализующих одно макросостяние, в котором находится изучаемая система (S = k*ln(W)).

      Прирост энтропии - это энергия, полученная системой, отнесенная температуре системы (dS = дQ/T).

      Подробнее об этом вы можете почитать, например, вот здесь: http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/126/734.htm. В этой довольно большой энциклопедической статье про "меру неупорядоченности" упомянуто лишь один раз, да тот в качестве пояснения к уравнению S = k*ln(W).

      C учетом сказанного я рекомендую при обсуждении научных вопросов использовать поменьше восклицательных знаков и немного меньше доверять своим фантазиям.
      Ответить
      • jooher > algen | 23.02.2007 | 22:23 Ответить
        >> Невозможность демона Максвелла напрямую связана с квантовой неопределенностью.... Демон ничего такого знать не может. И главная причина тут - именно квантовая неопределенность... Чтобы демон мог отслеживать все положения молекул, он должен обладать достаточной памятью и уметь изменять ее содержимое по результатам воздействия на молекулы. Память это физическое устройство и обладает энтропией.

        ХаХа. ХаХаХА. А еще демону нужны ручки и ножки, чтобы эту дверку открывать и закрывать. И кушать надо... Неужели до сих пор эту загадку решают такими пошлыми отмазками с привлечением умных слов типа энтропия, квантовая неоределенность... память у демона(!!!) Смешно ей богу.
        Нет никакого демона. Представим комнату, заполненную прыгающими мячиками - идеально упругими и не подверженными трению (допустимая механическая аналогия молекул газа). С одной стороны в комнате проем, загороженный барьером некоторой высоты. Мячики, скачущие выше этого барьера со временем из комнаты улетят в соседнюю комнату, а в первой останутся только вяло скачущие мячики. Нужна барьеру память или энергия, фотоны, мюоны, бозоны или синхрофазотороны? Энропию ему какую-нибудь надо вычислять или астральные силы привлекать? Чтобы сразу пресечь поползновения на тему "из соседней комнаты быстрые мячики будут возвращаться назад", сделаем во второй комнате воронку, через которую мячики улетают в третью комнату, и обратно им прилететь сложно.
        В электронике барьерный эффект (электроны, обладающие энергией выше некоторый величины без потерь(!) проходят барьер, не обладающие - не проходят, но энергию тоже не теряют) давно уже известен и вовсю используется. Посмотрите по гуглю - для общего развития.
        "Парадокс" этих мячиков и, соответственно, максвелловских сосудов решается очень просто - сам факт сортировки мячиков не является работой. Работа - это использование (отнятие) энергии быстрых мячиков. А один раз использовав (отняв) энергию у мячика, мы его превращаем в медленный - который через барьер уже не перескочит. Для продолжения цикла нужны свежие мячики извне.
        >>C учетом сказанного я рекомендую при обсуждении научных вопросов ... немного меньше доверять своим фантазиям.
        А вам я бы порекомендовал не ссылаться на дурацкие суеверия только потому, что там фигурируют умные и модные словечки...
        Ответить
        • Number > jooher | 07.08.2008 | 15:43 Ответить
          Поддерживаю. Сразу чувствуется инженерный склад ума и практическая хватка. От себя добавлю, А.Эйнштейн скорее всего, сам того не желая, внес некоторую энтропию в физику (как науку ). И теперь многие товарищи, что-бы решать даже сравнительно простые задачи, используют в своих рассуждениях, принцип неопределенности чего либо(начальных координат частицы, траектории, скорости). Т.е. в обход, 10-й дорогой. Это то-же самое, что сказать "с божьей помощью 2+2=4". Зачем вносить такой хаос в точную науку. Если что-то по какой-то теории нельзя точно определить, значит неточна сама теория(точна с какой-то вероятностью).
          Ответить
          • Korin Molchek > Number | 17.03.2009 | 10:07 Ответить
            Эйнштейн был против неопределенности: "Бог не играет в кости".
            Ответить
            • warpten > Korin Molchek | 25.05.2010 | 18:28 Ответить
              Альберт Эйнштейн:
              "Бог не играет в кости со Вселенной, но иногда все же бросает их – там, где мы не способны этого заметить."
              Ответить
      • warpten > algen | 25.05.2010 | 19:33 Ответить
        Вообще-то, полностью замкнутых систем в природе не существует, это абстрак5ция для выведения формул термодинамики. И в рассуждениях мы даже не замечаем, как ненамеренно переходим к открытым системам. А в открытых системах с энтропией нужно обращаться так, как следует из работ Ильи Пригожина. Но дело сейчас не в этом.
        Демон Максвелла нарушает замкнутость системы, даже если он сидит внутри сосуда.
        Во-первых, ему нужен приток энергии для выполнения своей работы (аккумуляторы надо заряжать), а во-вторых, информация, которая заложена в данного робота (демона), тоже заданна ИЗВНЕ, то есть имеет место обмен энергией и информацией с внешним окружением.
        И в этих условиях работа демона вполне может обеспечить решение задачи по Максвеллу: молекулы распределятся по скоростям. НО! Благодаря управляющему воздействию внешнего разумного начала.
        Ответить
        • algen > warpten | 02.06.2010 | 15:16 Ответить
          Конечно, идеальнеых замкнутых систем не существует. Тем не менее, вся физика построена на последовательных приближениях к реальности с помощью различных идеализаций.

          Что касается ваших рассуждений о демоне Максвелла, то вы как раз и объясняете, почему он невозможен. Потому что он нуждается в притоке энергии извне. Только так можно "отсасывать" энтропию из системы.

          Но Максвелл, когда рассуждал о своем демоне, жил немного в иную эпоху. Идея о том, что термодинамическая энтропия может быть переведена в "информационную" форму (как это вытекает из работы Шеннона), была в эпоху Максвелла невозможна. Поэтому придуманный им демон и казался парадоксом.

          Во второй половине XX века парадокс демона Максвелла был снят. Только вот не стоит тут скрытым образом вовлекать мистику, я имею в виду "разумное внешнее начало". Разумные существа сами является системами с пониженной энтропией и возникают в некоторых диссипативных системах - как раз по Пригожину. И помочь "демону Максвелла" отобрать энтропию у газа они могут только за счет того, что забирают ее себе (ну и, если жизнеспособны, то сплавляют ее дальше).
          Ответить
  • SON  | 05.05.2006 | 14:42 Ответить
    Можна придумать механического демона максвела, который будет пропускать не молекулы, а более быстрые мелкие частички в броуновском движении. Тогда квантовая механика и термодинамика не работает, только механика, и все зависит от потребления энергии демоном на фиксирование частицы, закрытие дверцы, и скорости самих частиц, которая зависит от темперетуры среды.
    Ответить
    • Mag > SON | 20.07.2006 | 19:14 Ответить
      Считаю уместным привести касающиеся темы расуждения С. Овгена с его странички "Природа структурообразования".

      Поток структурообразования.

      Проявившийся в резонансном метаморфозе циклический поток обретает локальную зону неустойчивости, которая перерождается в ось этого потока.

      ==**==

      Превращение в процессе осевого взаимодействия двух циклических потоков составляет содержание функционально минимальной единицы структурообразования - трансверсора.

      ==**==

      Отбор, захват и освоение материала для создания структур на любых уровнях осуществляется в резонансе и по принципу значимости.

      ==**==

      По Р. Фейнману, очень узкий резонанс соответствует точно отмеренному количеству энергии; это бывает тогда, когда мы имеем дело с частицей.

      ==**==

      Если энтропия - это превращение с рассеянием потенциала, то трансверсия - это, прежде всего, превращение с запасанием (концентрацией) его.

      ==**==

      Таинство и сущность негэнтропийной природы трансверсии заключается в избирательном механизме резонансного запасания потенциала.

      ==**==

      Наглядная простейшая модель трансверсора состоит из двух взаимопересекающихся кольцевых осцилляторов, известная в органической химии как катенан (лат. catena - цепь).

      ==**==

      Трудность восприятия единства энтропии и трансверсии как сопряженных типов превращения обусловлена энтропийным (связанным с тепловым рассеянием) приоритетом человеческих ощущений
      Ответить
  • valera1199  | 15.01.2007 | 19:57 Ответить
    Закон термодинамики в данном мысленном эксперементе Максвелла действительно нарушается (САМО-ПЕРЕХОД В БОЛЕЕ УПОРЯДОЧЕННОЕ СОСТОЯНИЕ!), но не надо морочить голову из-за расходов на открывание-закрывание и нагрев "клапана" (допустим сия мембрана-диод имеется - это проблема технологии, а не теоретической физики).
    Итак, отсортировав молекулы описанным выше способом - получим: температура быстрых молекул больше начальной, НО ТЕМПЕРАТУРА МЕДЛЕННЫХ - ПРОПОРЦИОНАЛЬНО НИЖЕ. Следовательно общая упорядоченность системы здесь пока не измениться (не считая расходы на "сортировщика"). Допустим они пренебрежимо малы.
    Далее, использовав энергию быстрых молекул, например на совершение работы, мы тем самым понизим их температуру, и следавательно, общую всей системы. Произведя эти манипуляции с газом некоторое количество раз, в итоге приблизимся к абсолютному нулю и далее процесс извлечения энергии этим способом станет невозможным. (Так что мне непонятно о каком вечном двигателе идёт в статье речь). Значит, мы извлекли энергию, понизили температуру и сл-но повысили упорядоченность? молекул в этой системе. (еще и увеличили объём газа - чё с упорядоченностю?).
    Значит замкнутая система может самоохладиться до 0 (в обмен на выделение эквивалентного количества энергии минус КПД "сортировщика"), т.е. перейдя в более упорядоченное? (а объём?) состояние, а САМО-ПЕРЕХОД В БОЛЕЕ УПОРЯДОЧЕННОЕ СОСТОЯНИЕ не допускается 2 законом термодинамики.
    Справедливости ради стоит сказать что сперва надо было потратиться (энергетически) на создание чётко разделённых вакуума и газа, т.е. в системе изначально была потенциальная энергя и упорядоченность: (чёткая область с газом и с вакуумом), а врезультате везде газ но холодный и большего объёма. И как измерять эту упорядоченность?
    Сдаётся мне, что то количестово энергии, которое нужно было на создание начальных условий, равно выделевшийся в результате охлаждения. А вот упорядоченность (по-иностранному- энтропия) не изменилась - она просто как-бы в разных единицах и объёмах.
    Ответить
    • jooher > valera1199 | 23.02.2007 | 22:44 Ответить
      >>Справедливости ради стоит сказать что сперва надо было потратиться (энергетически) на создание чётко разделённых вакуума и газа, т.е. в системе изначально была потенциальная энергя и упорядоченность: (чёткая область с газом и с вакуумом), а врезультате везде газ но холодный и большего объёма. И как измерять эту упорядоченность?

      Все сильно проще. Где есть газ - там давление выше нуля. Где вакуум - там давление = 0. Разница давлений - это потенциальная энергия. Разница температур - тоже потенциальная энергия. Их мы и извлекаем. А за неупорядоченность не беспокойтесь - мы же какую-то работу совершаем за счет охлажденных молекул - эта работа энтропии наведет достаточно, чтобы успокоить своих фанатов.

      >>Сдаётся мне, что то количестово энергии, которое нужно было на создание начальных условий, равно выделевшийся в результате охлаждения.
      Да, но приятный момент в том, что эту энергию затратили не мы :) Если, скажем, просто брать атмосферный воздух, содержащий массу достаточно энергичных молекул, делить его барьерной мембраной, использовать разницу температур и выпускать холодный воздух обратно - это будет бесплатный (бесплатный не значит "вечный"!) двигатель. А попутно и охлаждение климата - хит для стран Центральной Африки.
      Ответить
      • puma > jooher | 01.04.2007 | 00:19 Ответить
        такую задачку можно рещать из других соображений. и не нужно привлекать какие-то другие разделы физики или фокусы с мячиками. понятие температуры в физике сформулировано только для макроскопических систем (0-ое начало термодинамики). не бывает температуры (особенно для газообразных состояний) без учета статического распределения молекул по скоростям. средняя кинетическая энергия молекул пропорциональна kT, а энтропия - klnW. и не нужно подменять понятие частицы, имеющие набор скоростей и массу как какими-то носителями температуры. иначе можно дойти до утверждения, что T и lnW имеют физическую связь. как бы демон не делил молекулы он не сможет найти только "быстрые" или только "медленные". вероятность быть такими для любой молекулы одинакова и определяется в первую очередь энтропией системы. а в вакууме не будет никакой температуры ( в ее понятии) до тех пор, пока не будет мольных количеств вещества. а когда речь будет идти о мольных количествах - нужно учитывать статистическое распределение молекул по скоростям. и нужны только специальные меры, чтобы придать всем отобранным частицам одну величину скорости и упорядочить их движение, но для этого демон со своими дверцами не подходит. нужно более мощное вмешательство, а следовательно и затраты энергии, которая частично диссипируют (обязательно) и энтропия возрастет. поэтому считаю, что задачка больше красивая (и лично я от нее в восторге), чем требуящая поиска решений. пошутил великий человек, причем очень красиво и удачно. может быть на 1апреля? кстати, мой icq#420570439. вечерами я там, кто хочет пообщаемся
        Ответить
        • Number > puma | 07.08.2008 | 16:22 Ответить
          :) Ну вот еще один философ. Который тоже любит просто пообщаться, вместо того ,чтобы решить проблему, придумать какое-то практическое применение и забыть о ней. Нет-же надо себя еще потешить..
          Ответить
          • Silnoy > Number | 17.07.2015 | 14:36 Ответить
            Просто и гениально!
            Ответить
  • puma  | 02.04.2007 | 21:03 Ответить
    Да я и не спорю. Молекулы разделить по какому-либо принципу можно. Но это не значит, что их ансамбль (быстрых или медленных) в условиях равновесия (когда можно говорить о температуре системы) не перераспределит скорости по частицам согласно функции распределения. И опять будут быстрые и будут медленные. Иначе нужно говорить о другой модели состояния вещества.
    Воронка - без сомнения интересно. Но речь должна идти, на мой взгляд, о прежде всего энергетической воронке - тепловой. Механическая воронка навряд ли "затянет" частицы, разве что само вещество. Т.е. не нужно забывать, что речь идет о некоторых "представителях" ансамбля, а не о его детерминированном распределении, как, например, на границах раздела сред. Для отдельной частицы иметь скорость - не является характеристикой, т.к. нужно тут же ответить - относительно чего эта скорость измеряется.
    Еще раз хочу выразить восторг по поводу красоты задачи. И почему она не решается? Думаю, что мое решение вполне годится, хотя и не обязательно истинно.
    Ответить
  • Olexандр  | 17.05.2007 | 20:28 Ответить
    А вот вопрос несколько по другому сформулированный. "Молекулярный" двигатель питается температурой.
    1. Где у молекулы двигатель?
    2. Почему должны существовать быстрые и медленные молекулы, если температура одинакова?
    Из-за соударений. Удар, - скорость упала. Разогрев - скорость поднялась.
    Ну, собрал Демон быстрые молекулы. Так оставшиеся медленные разгонятся до скорости быстрых и градиент исчезнет!
    2. Может ли человек сориентировать молекулярные "моторчики" для движения в одном направлении?
    Да, ионизировав газ и применив к нему поле.
    3. Есть ли другая возможность, кроме электромагнитного поля "ориентировать" молекулярные моторчики?

    Вероятно движение молекул при облучении инфракрасным светом вызвано расширением электронных облаков. И молекулы в массе газа начинают "толкаться" электронными облаками. Эти "толчки", наверное, и есть причина движения молекул.
    Если молекул мало или молекула вообще одна, то при инфракрасном облучении ее электроные облака начинают отталкиваться от стенок сосуда.
    Есть ли другие соображения?
    Ответить
    • ALEX3891 > Olexандр | 04.10.2007 | 10:23 Ответить
      Друзья Демон Максвелла существует.Вот только сил для нарушения закона ему не хватает и думаю не хватит.
      Сначала ответы.
      1.У молекулы нет двигателя есть импульс(энергия заключенная в скорости).Останови молекулу получишь импульс-скорость-энергию.
      2.Температура средняя величена (средняя сумма скоростей).
      Демон Максвелла реализованн в современных тепловых конвекторах например в современных кондиционерах (когда они могут работать наоборот).Соотношение примерно 5 к 1.При уличной температуре -15 конвектор выдает воздух +45.И тратит на это в шесть раз меньше энергии чем масляный нагреватель например.
      !Он не нагревает воздух, а забирает энергию из внешнего воздуха еще сильней его охлаждая!
      В европе это просто хит.С нашими -25 и ценой камуналки неактуально!
      Ответить
      • jooher > ALEX3891 | 08.08.2008 | 16:34 Ответить
        А вот конвекторы и кондиционеры я бы сюда не приплетал. Там о разделении вещества речи не идет, то есть демон Максвелла там в общем ни при чем.
        Кстати сказать, особой разницы нет, -15С за бортом или -25С. В абсолютных величинах это 258К и 248К, и при сжатии всего 1.5 раза в обоих случаях температура поднимется достаточно, чтобы передать теплоту комнатному воздуху (290-295К). Разница в пределах единиц процентов и решающего значения не имеет. У нас эти конвекторы не распространены из-за 1.стоимости 2.куда вешать?в многоэтажках живем 3.Эффективность обогрева и сохранения тепла вообще никого у нас не интересует. Исторически.
        Ответить
  • velepe  | 24.02.2008 | 11:52 Ответить
    В физике существует проблема, которую условно можно назвать проблемой 'обратимость-необратимость', и мысленный эксперимент с демоном Максвелла является лишь одной из самых ярких ее иллюстраций. Все физические законы, за единственным исключением, обратимы во времени, и возможность реализации демона Максвелла им не противоречит! Исключением является второе начало термодинамики, которое имеет много разных формулировок. Простейшая из них - теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Возможность существования демона Максвелла противоречит исключительно этому закону. Таким образом, любые попытки доказать невозможность демона Максвелла, в которых явно или неявно не используется второе начало, обречены на неудачу. Нужно отметить, что все физические законы, в том числе и второе начало, являются обобщением опытных данных.
    Всерьез обсуждать все эти проблемы можно, лишь профессионально разбираясь в термодинамике, статистической физике, квантовой статистике, физической кинетике; будущие физики-теоретики изучают это в основном на старших курсах в течение примерно шести семестров. Непрофессионалам браться за решение этой проблемы не стоит - никто же не пытаетесь самостоятельно вычислять орбиты астероидов или рассчитывать электронную структуру полупроводников, а это гораздо проще.
    Кое-какие замечания для профессионалов. 1) Непротиворечивым образом энтропия может быть введена только для равновесной системы, второе же начало принципиально говорит о неравновесных процессах. 2) Статистическое (через статистический вес) и термодинамическое (через теплоту и температуру) определения энтропии на всегда совпадают. 3)Из квантовомеханического (через матрицу плотности) определения энтропии строго следует, что энтропия замкнутой системы остается неизменной. В общем, вопросов здесь много.
    Ответить
    • neznaika > velepe | 15.05.2008 | 13:08 Ответить
      Автор неправ. История подсказывает, что по-настоящему стоящие открытия и изобретения сделаны именно "непрофессионалами". Ваши так называемые профессионалы это сборище болванов и лизоблюдов. Демон -Максвелла уже давно существует. Это устройство изобретенное в 1931 г. называется трубкой Ранке-Хильша. Она позволяет разделить газ или жидкость на горячий и холодный потоки при помощи вихря. Причем тепла получается гораздо больше чем затрачено энергии для создания вихря.
      Ответить
    • jooher > velepe | 08.08.2008 | 16:54 Ответить
      >>теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Возможность существования демона Максвелла противоречит исключительно этому закону....Непрофессионалам браться за решение этой проблемы не стоит - никто же не пытаетесь самостоятельно вычислять орбиты астероидов или рассчитывать электронную структуру полупроводников, а это гораздо проще.

      Непрофессионалам вообще ни за что браться не стоит - если это что-то требует профессионального решения, оплачивается и на что-то влияет. Но что плохого в том, чтобы _просто поболтать на бесплатном форуме_ о чем-то, не связанном с твоей профессиональной компетенцией? Врядли кто-то здесь всерьез думает, что он что-то "решает" (кроме, может быть, автора статьи ;-) А орбиты астероидов, я думаю, тоже кто-то просчитывает - только в другой ветке :)))
      По поводу второго закона - такой момент: насколько вообще корректно отождествлять "переход теплоты от одного тела к другому" с "разделением одного тела на компоненты (ну или двух тел)"?
      Ответить
      • wwp13 > jooher | 05.10.2008 | 14:38 Ответить
        Совершенно с вами согласен. Кстати, правильно будет - теплота не может самопроизвольно переходить от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Точная формулировка второго закона принадлежит В. Томсону и М. Планку: «В природе невозможен процесс, полный эффект которого состоял бы только в охлаждении теплового резервуара и в эквивалентном подъеме груза». Но: в природе демон Максвелла существует, если существует возможность создания диода молекулярных размеров, молекулярного диода. Такой диод способен преобразовать тепловое движение электронов в упорядоченное, то есть в электрический ток. Есть патент и на градиентный туннельный диод с рабочими частотами до ультрафиолетового диапазона, способный, по утверждению авторов, преобразовывать в электрический ток даже тепловые флуктуации электронов. Вот это и есть наш демон.
        Поставим мысленный эксперимент (как и дедушка Максвелл). Одно тело на компоненты разделять не будем, а возьмем изолированную емкость, разделенную непроницаемой перегородкой на два резервуара. В более холодный резервуар помещаем решетку наноректенн (ректенна - это антенна с выпрямителем), настроенных на резонанс с излучением быстрых, горячих молекул этого резервуара, соединяем решетку с мостовой схемой из демонов и - вперед! Полученный постоянный электроток накапливаем и отправляем в нагрузку (сопротивление) в более горячий резервуар и топим его до победного (или поднимаем какой ни то груз). Второй закон отдыхает. Вечный двигатель второго рода таким образом, конечно, не сделаешь, поскольку охлаждать первый резервуар до бесконечности невозможно, но и явное нарушение второго закона проглядывается, не так ли?
        Ответить
        • jooher > wwp13 | 06.10.2008 | 14:11 Ответить
          Не совсем это конечно демон Максвелла, хотя принцип "забери у бедных и отдай богатым" (назовем это "инверсным принципом Робина Гуда") - нашему демону идеологически близок :)
          И тут я что-то не совсем понял: эти "наноректенны" - они таки пропускают молекулы или электроны? Если молекулы - то о каком эл.токе речь? А если электроны (ну или ионы вообще) - то какой смысл фильтровать их по скорости? медленный электрон - тоже электрон и эл.тока даст столько же, сколько и быстрый. Правда, это уже получается что-то вроде обычного электролитного аккумулятора, только вместо электролита - газ (зачем?). Смысл второго (горячего) резервуара мне вообще не ясен.

          Далее (исходим из того, что фильтруем все-таки молекулы и пытаемся переносить теплоту а не эл.заряд). "соединяем решетку [наноректен] с мостовой схемой из демонов" - так кто здесь выпрямляет? ректенны или демоны? если ректенны - то зачем нужны демоны - и наоборот. Если выпрямляют ректенны - значит демон должен сидеть В КАЖДОЙ из них, и никаких дополнительных мостов, выпрямляющих поток со всей решетки уже не нужно, соответственно не нужна и консолидация потоков с отдельных ректенн - то есть возвращаемся к мембране (в которой просто "барьер" и "воронка" объединены словом "ректенна"). Если ректенны только фильтруют молекулы по скорости (в оба направления) - то это уже не "рект"енны, а просто барьеры, а все самое сложное ("воронка") делается централизованно. То есть это просто конструктивное отличие, а не принципиальное.

          Фильтрация молекул по скорости - не сильно сложная задача. Например, берем ионизированный(скажем+) газ и мономолекулярную одноименно заряженную мембрану (для конструктивной жесткости ее можно нацепить на легко проницаемый нейтральный каркас). Проскочить через эту мембрану смогут только те молекулы газа, чья кинетическая энергия будет достаточна для преодоления кулоновского противодействия. Важно - проскок (или отскок) молекулы будет абсолютно упругим - насколько молекула замедлится на подходе к мембране - настолько же она ускорится при отскоке (с той же или с другой стороны). Порог необходимой кин.энергии можно регулировать подбором размера ячейки мембраны и заряда на ней.
          Самое сложное, что может требоваться от демона - это пускать молекулы только в одну сторону. Как демона этому научить - я не знаю, но можно сделать ход конем и избавить его от этой работы. В принципе достаточно уже того, что мы имеем с одной стороны мембраны гарантированно только быстрые молекулы из исходного тела. Часть из них улетит обратно, но часть останется. Уже хорошо. Как этим пользоваться?
          Берем цилиндрическую емкость, запускаем туда ионизированный газ, и вставляем мембрану вплотную к одному из торцов емкости. Затем с какой-то скоростью ведем эту мембрану к противоположному торцу. Поскольку, через мембрану проходят ТОЛЬКО быстрые молекулы, температура газа за ней будет ГАРАНТИРОВАННО выше температуры в исходном объеме. Давление, правда, там будет, видимо, равно парциальному давлению "теплой" компоненты газа, поэтому на премещение мембраны нужно будет заметно прикладываться... Хотя, возможно, если двигать ее не очень быстро, давление теплой и холодной камер выровняются... В общем, за расчет кпд этой хрени я бы не взялся :)
          Ответить
          • wwp13 > jooher | 07.10.2008 | 09:08 Ответить
            Антенны не выпрямляют, конечно. Массив антенн (антенная решетка) всего лишь много-много полуволновых вибраторов Герца (полное подобие радиоантенны), соединенных через диоды последовательно-параллельно. И отделенных, разумеется, от холодного резервуара вакуумным промежутком. Антенна должна быть настроена в резонанс на определенную частоту падающего электромагнитного излучения (назовем для простоты это температурой определенных молекул). Скажем для 300 кельвинов длина полуволнового вибратора должна быть около 5 микрон (частота излучения комнатной температуры – чуть больше 1 ТГц (10 микрон)). Энергия волнового поля излучения преобразуется в энергию электронов проводимости микроантенн, но частота наведенного тока соответствует частоте излучения (!), а использовать полезно ток терагерцевых частот никак невозможно.( Если мы соединим напрямую эту нашу решетку антенн с такой же решеткой в более горячем резервуаре, мы всего лишь выровняем их температуры.) Демон и нужен для того, чтобы выпрямить этот терагерцевый ток, то есть он в данном случае сортирует не молекулы, а электроны, но сортирует их не по их скоростям и энергиям, а по направлению движения, для чего физические законы позволяют ему даже не напрягаться и не хлопать дверью. Четыре демона (диодный мост) нужны для того, чтобы на выходе получать не пульсирующий, а постоянный электроток (двухполупериодное выпрямление).
            Насчет мембраны. Если мы совершаем работу, то второй закон уже не причем. Сказано – самопроизвольно, то есть само по себе. И изотермический цикл Карно здесь ни при чем, поршень в виде полупроницаемой мембраны здесь, или нет.
            Ответить
  • Yuriy  | 05.09.2008 | 18:09 Ответить
    Почитав комментарии, сделал флэш-игру Демон Максвелла: 20 быстрых шариков, 20 шариков медленных, щелкаешь мышкой (то есть работаешь в качестве демона) - сортируешь шарики. Поместил на сайте
    http://www.geocities.com/flashphysics/

    Кто хочет играйте. Там же кратко изложил соображения по расчету
    энтропии данной системы (отмечу, что все правда на английском).

    Подобные игры, в принципе, и раньше делали. Но я решил считать энтропию по Больцману, сделал предположения о числе микросостояний (примерно в духе учебника Яворского, Пинского Основы физики), так что у меня не просто сортировка шариков, у меня еще и оценка энтропии.

    Скажу скромно, что получилось интересно. Обычно в играх кого-то убивают, сбивают и т.д. и т.п., а тут вполне реальная физическая величина. К тому же, если второй принцип термодинамики не нарушается, то геймер может оценить сколько он реальной, физической энтропии произвел щелчкая мышью.
    Ответить
    • jooher > Yuriy | 06.10.2008 | 14:25 Ответить
      Демон, как его представляют некоторые участники этого форума (орудующий дверкой, вычисляющий скорость каждой молекулы и считающий энтропию системы в каждый момент времени) - действительно удачный персонаж для игры в жанре "кто дольше продержится" :)
      Если бы Вы сделали игру с демоном в виде "барьер+воронка", игры бы не получилось - получился бы тупой мультик, в котором мышкой кликать в общем-то негде и энтропию производить нечем :)
      Ответить
      • Yuriy > jooher | 08.10.2008 | 09:00 Ответить
        Когда мысленный эксперимент заменяешь компьютерной моделью, возникают интересные детали о которых в мысленном эксперименте и не задумаешься.
        Например, какой размер дверцы оптимален для сортировки молекул, какая тактика оптимальна для сортировки - собирать сначала медленные, потом быстрые или наоборот и т.д и т.п.
        Ответить
        • Kostja > Yuriy | 17.01.2009 | 19:55 Ответить
          Отличная игра, почувствовал себя настоящим демоном)))
          Ответить
          • warpten > Kostja | 25.05.2010 | 19:43 Ответить
            На сегодняшний день, увы, игра не сохранилась.
            Ответить
      • Евгантолич > jooher | 29.12.2008 | 13:19 Ответить
        Какая на воронка?

        Вы попробуйте закинуть шарик в воронку направленную узким концом вверх или хотя бы в бок...
        Или закатить шар в угловую лузу?
        Или просто нарисуйте на бумажке воронку, ну и закон падения/отражения вспомните...
        (-:#
        Ответить
  • dim1r  | 16.02.2009 | 09:47 Ответить
    Попытки создания Д.М. могут привести к созданию особых холодильников или нагревателей. Представте стену которая в жару выпускает из комнаты горячие молекулы. Конечно потребление энергии будет происходить, но в отличии от кондиционеров может быть гораздо меньше в размере.
    Ответить
  • djanubis  | 28.09.2009 | 12:23 Ответить
    Закон гласит что невозможно передеть от "тела" к "телу". А что имеется в виду под "телом". Молекула, атом, електрон - что их них "уже не тело"? Квантовая частичка - которая есть волношариком :) - она тоже тут считается "телом"?
    Хехе. Хотел бы я видеть как ваш Демон будет сортировать нейтрино.
    Ответить
  • Broglie  | 26.10.2009 | 01:15 Ответить
    Обычно говоря о возможности селекции частиц равновесного газа по скоростям (импульсам), как правило, забывают, что импульс - величина векторная. Почему бы не рассмотреть варианты такой модификации "демона Максвелла", которая сепарировала бы частицы в зависимости от углового направления их движения, а не от скалярной величины их импульса?
    Об этом можно найти некоторые материалы, например:
    http://www.savukov.ru/viniti_0507_b2009_full_rus.pdf
    Ответить
  • Garskov  | 22.12.2010 | 11:57 Ответить
    Квантовая механика с принципом неопределенности тут не причем, вполне можно обойтись статистической физикой - где-то читал, что затраты на получение информации и исполнение не окупаются.
    Преллагаю своего демона (можно назвать моим именем).
    Это типа клапана, пропускает молекулы туда, а назад отворачивает.
    Такая штука площадью 100 см2 в воздухе даст тягу в 100 кГ, так что можно летать и не бояться, что вылетишь за пределы атмосферы, как антигравитатор или инерциоид.
    А вот если упадешь вниз, она пророет землю, вылетит с другой стороны и зависнет почти в космосе, так что вполне может заменять первую ступень ракеты. Я уже не говорю о бытовухе - вентилятор, воду качать на даче, мусор выбрасывать прямо на помойку...
    Ответить
  • stochastic  | 22.08.2012 | 15:33 Ответить
    То что Демон Максвелла не может существовать связано не только со вторым законом термодинамики, но ещё с квантовым принципом неопределённости Гейзенберга. Чем меньше объём занимаемый газом, тем больше неопределённость импульса (энергии) атома, которую Демон Максвела должен измерить. Демон Максвела никогда не сможет точно измерить энергию атома. Кроме того при измерении энергии атома он сам будет оказывать влияние волновую функцию и на местонахождение атома.
    В качестве аналогии можно сказать, что невозможно разделение людей на плохих и хороших :-)
    Ответить
    • fatyalink > stochastic | 11.08.2013 | 09:24 Ответить
      Распределение Максвелла такая фигня, что даже смотреть на это противно, вместе с опытом Штерна? якобы его подтверждающим.
      А самое противное—использование аналогии с вращающимся барабаном и шарами внутри. Она вообще все впечатления от математики без процесса убивает.
      Шаров там много и все они при начале вращения стремятся вырваться через единственную дырку. И не по оси ее, а по касательной к окружности в точке вылета. Благодаря той самой скорости , набранной в процессе начала вращения под действием центробежной силы.(дурацкое название). А у дырочки краешек есть, тот самый, на встречу скорости. Мешает.
      Так вот, шаров много. У дырочки создается толпа и все друг другу мешают сталкиваясь с краешком. При малой скорости—во время увеличения оборотов шаров вылетает мало, а скорости маленькие, дальность маленькая. Но шаров то меньше становится постепенно. Дальность увеличивается и некоторое время вообще постоянна. Равновесие между помехой, числом шаров и скоростью вращения барабана. Потому и график пологий при наборе скорости. А при равномерном вращении, шаров все меньше и меньше и дальность все больше и край дырочки работает еще активнее. Оттого и резкое увеличение дальности.
      Все. С опытом Штерна то же самое. Вся разница в размере шаров и избытке давления. Его не убрать откачиванием. Нагретая проволока не направленно испаряет, а во все стороны. Если скорость откачки больше скорости испарения вообще никуда ничего не полетит. А раз летит, значит, есть давление. А смещение полосы и есть то самое стремление улететь по касательной, чем больше скорость вращения, тем смещение больше.
      В общем, никуда молекулярно кинетическая теория не годится, со своими вероятностями. Вероятность—это расписка в безграмотности и слабоумии. гадание на кофейной гуще формул. разница в результате. предсказания не сбываются.А вот понимание процесса и неопределенность вещи несовместимые. Грош цена энтропии и всем тем, что с этим связано. Второе начало и так работает из простейшего опыта с теплом. Мало того, оно и в электричестве работает.
      Ответить
  • akb  | 27.07.2013 | 00:03 Ответить
    Если рассматривать инерциальное движение, как малоускоренное под действием гравитационных сил "далеких звезд", тогда в масштабах Вселенной 2-й закон термодинамики работать не будет. Энергия движения любых частиц будет накапливаться и привноситься в далеких уголках Вселенной в преумноженном виде, например, в виде ливня из космических лучей самых высоких энергий.
    Законы сохранения при этом будут также выполняться, но все движения будут обусловленными, т.е. имеющими причину, в отличие от классического бессилового и безотносительного инерциального движения
    Ответить
Написать комментарий

1850
1867
Демон Максвелла
1927
Джеймс Клерк Максвелл, прославленный физик-теоретик второй половины XIX века, внесший огромный вклад в развитие электромагнитной и молекулярно-кинетической теории

Джеймс Клерк Максвелл, прославленный физик-теоретик второй половины XIX века, внесший огромный вклад в развитие электромагнитной и молекулярно-кинетической теории

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»