Il demone di Maxwell o come aggirare la seconda legge della termodinamica

Ciao cari ospiti e abbonati del mio canale. Oggi voglio parlarvi del cosiddetto Demone di Maxwell, che è stato generato durante la discussione della seconda legge della termodinamica. Quindi iniziamo.

Non solo nei romanzi di fantascienza puoi trovare qualche creatura insolita, ma anche in maniera apparentemente estremamente lontano dalla finzione, la scienza come la fisica risulta avere un posto per creature insolite e persino fantastiche, come demoni.

Forse la più famosa creatura di questo tipo era il cosiddetto Maxwell Demon, creato dallo stesso James Clerk Maxwell, il creatore del sistema di equazioni Maxwell. E lui (il demone) è stato inventato durante il dibattito attivo sulla seconda legge della termodinamica.

Cosa dice la seconda legge della termodinamica?

Quindi, secondo la seconda legge della dinamica, ha abbastanza formulazioni, ma allo stesso tempo il significato fisico è lo stesso: il sistema, in isolamento, incapace di passare in modo indipendente da uno stato meno ordinato a uno più ordinato stato.

Ad esempio, immaginiamo un certo volume di gas in cui le molecole si muovono a velocità diverse. Secondo la seconda legge, il gas non è in grado di dividersi indipendentemente in due metà, dove una conterrà un gas con molecole a bassa velocità e l'altra conterrà un gas con molecole ad alta velocità.

Inoltre, un gran numero di processi è classificato come reversibile. Quindi, ad esempio, l'acqua normale può essere congelata e, dopo lo scongelamento, è possibile ottenere di nuovo acqua liquida.

Il metallo può essere sia magnetizzato che smagnetizzato. Esistono anche processi irreversibili, come bruciare qualcosa. Ma tutti questi processi, secondo la seconda legge della termodinamica, porteranno alla conservazione o alla diminuzione del grado di ordinamento del sistema.

Questa situazione ossessionava e turbava le menti scientifiche del XIX secolo. E fu in questo momento che Maxwell formulò la sua soluzione non banale, che, come sembrava in quel momento, ha permesso di aggirare con grazia la seconda legge della termodinamica e prevenire l'inevitabile aumento del caos in un ambiente chiuso sistema.

Ha organizzato un simile esperimento mentale.

Esperimento mentale o come è apparso il demone di Maxwell

L'essenza dell'esperimento di Maxwell:

Immagina un contenitore diviso in due metà uguali. Inoltre, nel divisorio (che divide il contenitore in due parti identiche ed è ancora assolutamente impermeabile al gas) è presente una microscopica porta-foro che può far passare un solo atomo di gas alla volta.

E allo stesso tempo, una metà del contenitore è completamente piena di gas e la seconda è riempita di vuoto puro.

Ora immaginiamo mentalmente che un micro-guardiano venga presentato a questa porta di controllo, osservando le molecole di gas nel modo più intento.

E allo stesso tempo, lui (il guardiano) apre il passaggio per le molecole veloci e le fa entrare nella seconda metà del contenitore con un vuoto, e lascia quelle non sufficientemente veloci dove si trovavano.

È logico che se il lavoro del checkpoint con il guardiano dura un tempo significativo, il gas sarà diviso in due parti. Uno avrà un gas raffreddato con molecole lente e l'altro avrà un gas caldo con molecole di gas caldo.

Pertanto, il sistema sarà ordinato in relazione allo stato iniziale, e quindi la seconda legge della termodinamica viene violata.

Inoltre, lo squilibrio di temperatura ottenuto è abbastanza accettabile da utilizzare per ottenere lavoro (secondo il ciclo e il teorema di Carnot).

E questo significa che se il famigerato guardiano viene lasciato al posto di blocco per un tempo illimitato, allora non avremo altro che una macchina a moto perpetuo.

Era questo guardiano-controllore che altri scienziati chiamavano il demone di Maxwell. E sembrava che in questo esperimento tutto fosse preso in considerazione, e oh, come non fa male una macchina a moto perpetuo. Ma c'è un problema significativo.

Qual è il problema del demone Maxwell

Quasi dall'inizio, l'esperimento mentale è stato messo in discussione, ed ecco perché:

Per il lavoro senza fine del guardiano del demone, è necessaria la fornitura di energia sotto forma di un flusso di fotoni, che è necessario per illuminare e setacciare le molecole in arrivo.

Inoltre, quando smistano le molecole, il demone non può non interagire con le molecole, il che significa che esse stesse acquisiranno energia termica dal gas. Ciò significa che l'entropia aumenterà inevitabilmente.

E l'entropia totale di un tale sistema non diminuirà in alcun modo. Ciò significa che non c'è violazione della seconda legge.

Una significativa controargomentazione contro l'esistenza del Demone di Maxwell arrivò dopo la nascita della meccanica quantistica.

Quindi, per ordinare correttamente le molecole di gas in arrivo, il guardiano deve misurare con precisione la loro velocità, il che in linea di principio è impossibile secondo l'incertezza di Heisenberg. Inoltre, secondo lo stesso principio, non è possibile determinare la posizione esatta della molecola.

E questo significa che inevitabilmente alcune delle molecole, davanti alle quali si aprirà la porta, lo mancheranno.

Cioè, il demone di Maxwell è essenzialmente un elefante macroscopico nel negozio di porcellane del micromondo, che vive secondo le proprie regole.

E se lui (il guardiano del demone) viene presentato secondo le leggi della meccanica quantistica, allora non sarà in grado di ordinare le molecole. Pertanto, non è pericoloso per la seconda legge della termodinamica.

È così che la mitica creatura della fisica: il demone di Maxwell è stata distrutta.

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Grazie per aver letto fino alla fine!