Im späten 19. Jahrhundert schlug der britische Physiker James Maxwell ein Gedankenexperiment vor, das anscheinend gegen die Gesetze der Thermodynamik verstößt. Infolgedessen wurde der zentrale Charakter dieses Experiments Maxwells Dämon genannt. Versuchen wir herauszufinden, was an dieser fiktiven Entität bemerkenswert ist.
Maxwells Dämon ist eine hypothetische Einheit, die James Clerk Maxwell in einem seiner Gedankenexperimente, vermutlich 1871, vorgeschlagen hat.
Was haben der Dämon und Maxwell damit zu tun? Im Allgemeinen ist die von Maxwell vorgeschlagene Essenz eine Art widersprüchlicher Gott aus der Maschine, könnte man sagen, der einen Weg gefunden hat, eines der grundlegendsten und unbestreitbarsten Gesetze des Universums zu umgehen - das zweite Gesetz der Thermodynamik. Anfangs nahmen die Kollegen des Wissenschaftlers das Gedankenexperiment nicht ernst und waren sogar verwirrt, denn diese „Essenz“könnte bedeuten, dass man endlich vergessen kann, Kohle zu verschwenden und einfach endlos aus dem Nichts einen Job zu bekommen.
Und jetzt werden wir versuchen herauszufinden, warum Maxwells Dämon Ende des 19. Jahrhunderts Verwirrung unter den Koryphäen der Wissenschaft hervorrief.
Maxwells Dämon - eine Lücke in der Entropie
Maxwells Gedankenexperiment wurde ursprünglich in der Korrespondenz des Wissenschaftlers mit Peter Tate um 1867 erwähnt. Es wurde später in Maxwells 1872 veröffentlichtem Buch über Thermodynamik namens Theory of Heat der Öffentlichkeit vorgestellt.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
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Trotz der Tatsache, dass Maxwell selbst bei der Beschreibung des Experiments nie das Wort "Dämon" verwendete, öffnete sein Agent die Tür (in der Trennwand in unserer Gaskiste) zwischen den Kammern als "begrenztes Wesen". Diese Entität wurde erstmals von William Thomson, bekannt als Lord Kelvin, "Dämon" genannt, um Maxwells Agenten in der Natur im Jahr 1874 zu beschreiben. Als Rechtfertigung argumentierte er, dass er die vermittelnde Natur des Wesens auf diese Weise bezeichnen wollte und sich in keinem Fall auf die negative Konnotation des Wortes selbst konzentrieren würde.
Also zurück zum Experiment. Dies ist in erster Linie ein geschlossenes System. Die vorgeschlagene Vorrichtung besteht aus einem einfachen Quader, der etwas beliebiges Gas enthält. Der Quader ist in zwei gleich große Abschnitte mit derselben gleichmäßigen Temperatur unterteilt. An der Wand, die den Abschnitt trennt, sitzt ein Dämon und nimmt sorgfältig zufällig gestreute Partikel auf, so dass alle Partikel mit hoher kinetischer Energie in einem Abschnitt gesammelt werden, während der Rest - mit niedriger kinetischer Energie - in einem anderen Abschnitt verbleibt.
Wir können sagen, dass dieser Dämon eine Metapher für ein Gerät oder eine Maschine ist, die in der Lage ist, die Geschwindigkeit oder kinetische Energie jedes Partikels in einem beliebigen Behälter sorgfältig zu analysieren. Basierend auf seiner Analyse kann die Anpassung genau bestimmen, welche Partikel sie grob gesagt für sich behalten und welche - loswerden sollen.
Links: zwei mit Gas gefüllte Abschnitte. Rechts: Maxwells Dämon öffnet und schließt die Tür in der Trennwand zwischen den Abschnitten / J. Hirshfield.
Dies widerspricht mittlerweile der allgemein anerkannten Meinung, dass sich Gaspartikel bei konstanter Temperatur mit gleicher Geschwindigkeit bewegen. Trotzdem ist dieselbe Geschwindigkeit ihre Durchschnittsgeschwindigkeit, was bedeutet, dass sich Partikel mit einer höheren Geschwindigkeit bewegen und dass sich Partikel mit einer niedrigeren Geschwindigkeit bewegen, wodurch alles auf einen Durchschnittswert reduziert wird.
Durch diesen Prozess - die Aktionen des Dämons Maxwell - werden anschließend alle hochenergetischen Partikel in einen Abschnitt getrieben. Der Dämon erhöhte die Temperatur eines Teils der Kiste im Vergleich zum anderen. Diese Übertemperatur oder dieser Überdruck können verwendet werden, um die Turbine oder den Kolben anzutreiben. Ja, daraus folgt, dass wir Energie aus buchstäblich nichts bekommen. Mit anderen Worten, der Dämon hat die Entropie reduziert, ohne sich anzustrengen.
Es ist jedoch notwendig zu verstehen, dass der listige Dämon seine Tricks anwendete und infolgedessen das Gesetz der Entropie widersprechen konnte, aber nicht gegen das Gesetz der Energieerhaltung verstieß. Er verteilte einfach zufällige kinetische Energie neu, um eine Druckdifferenz zu erzeugen, die ausreicht, um Energie aus einem anfänglich ausgeglichenen System zu ziehen. Die List des Dämons täuschte die Natur selbst!
Kann ein solcher Apparat existieren?
Wie dem auch sei, ein solcher Apparat kann in der Realität nicht geschaffen werden. Die Natur lässt sich nicht leicht täuschen. Natürlich konnte der listige und kluge Dämon die drückenden Sanktionen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik vermeiden, aber er kann sich dem allsehenden Auge des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht entziehen.
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann keine Maschine ohne Wärmequelle arbeiten und diese während der Arbeit auch teilweise absorbieren. Oder die Prozessleistung wird niemals 100 Prozent erreichen. Maschinen brauchen den Reiz nicht nur in Form von Wärme, sie müssen ihn auch absorbieren und dadurch ihre eigene Temperatur erhöhen.
Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in Dampfmaschinen ist nicht absolut. Ein Teil der Wärme wird vom Motor selbst absorbiert, wodurch die Gesamtleistung verringert und die ihn umgebende Entropie erhöht wird.
Wenn der Dämon eine Hightech-Maschine ist, die bestimmte Partikel selektiv verfolgt, stellt sich die Frage: Woher bezieht er Energie, um seine Arbeit zu erledigen? Selbst wenn er dies irgendwie schafft, verweigert die Ausdehnung in Bezug auf die Wärmeleistung der Maschine immer noch die Möglichkeit einer Abnahme der Entropie.
Der Übergang eines geschlossenen Systems von niedriger Entropie zu hoher / sokratischer.
Ein Dämon oder eine Maschine müsste Informationen über die Partikel erhalten. Nehmen Sie zum Beispiel Photonen. Während der Interaktion mit ihnen wird ein komplexer Apparat wie Maxwells Dämon unweigerlich Energie verbrauchen und einen Teil der Wärme selbst absorbieren, wodurch die Gesamtentropie erhöht und auf ihren ursprünglichen Wert zurückgebracht wird.
Der Punkt des Arguments ist, dass nach Berechnungen jeder Dämon zwangsläufig mehr Entropie "erzeugen" wird, indem er Moleküle trennt, als er sie jemals "zerstören" kann - dies steht im Einklang mit den Prinzipien, auf denen er basiert. Mit anderen Worten, es würde viel mehr thermodynamische Arbeit erfordern, um die Geschwindigkeit von Molekülen zu bestimmen und sie so auszuwählen, dass sie zwischen den Abschnitten durch die Tür gelangen, als die Energiemenge, die aus der Temperaturdifferenz gewonnen wird, die nach der geleisteten Arbeit entsteht.
Wie dem auch sei, es sollte angemerkt werden, dass Maxwell sehr gerissen war. Ohne den ersten Hauptsatz der Thermodynamik hätte jedoch nichts den zweiten Hauptsatz vor öffentlicher Schande bewahrt.
Vladimir Guillen
