Le démon de Maxwell ou comment contourner la deuxième loi de la thermodynamique

Bonjour chers invités et abonnés de ma chaîne. Aujourd'hui, je veux vous parler du soi-disant démon de Maxwell, qui a été généré lors de la discussion de la deuxième loi de la thermodynamique. Alors, commençons.

Non seulement dans les romans de science-fiction, vous pouvez trouver une créature inhabituelle, mais même dans une apparence extrêmement loin de la fiction, la science comme la physique se révèle avoir une place pour des créatures insolites voire fantastiques, comme démons.

La créature la plus célèbre de ce genre était peut-être le soi-disant démon de Maxwell, créé par James Clerk Maxwell lui-même, le créateur du système d'équations de Maxwell. Et il (le démon) a été inventé lors du débat actif autour de la deuxième loi de la thermodynamique.

Que dit la deuxième loi de la thermodynamique?

Donc, selon la deuxième loi de la dynamique, il a assez de formulations, mais en même temps le sens physique est le même: le système, dans l'isolement, incapable de passer indépendamment d'un état moins ordonné à un état plus ordonné Etat.

Par exemple, imaginons un certain volume de gaz où les molécules se déplacent à des vitesses différentes. Selon la deuxième loi, le gaz n'est pas capable de se diviser indépendamment en deux moitiés, l'une contenant un gaz avec des molécules à faible vitesse et l'autre contenant un gaz avec des molécules à haute vitesse.

De plus, un grand nombre de processus sont classés comme réversibles. Ainsi, par exemple, l'eau ordinaire peut être congelée et après la décongélation, vous pouvez à nouveau obtenir de l'eau liquide.

Le métal peut être à la fois magnétisé puis démagnétisé. Il existe également des processus irréversibles, comme brûler quelque chose. Mais tous ces processus, selon la deuxième loi de la thermodynamique, conduiront soit à la conservation, soit à une diminution du degré de mise en ordre du système.

Cette situation a hanté et troublé les esprits scientifiques du XIXe siècle. Et c'est à ce moment-là que Maxwell a formulé sa solution non triviale, qui, comme il semblait à ce moment-là, a permis de contourner gracieusement la deuxième loi de la thermodynamique et d'éviter l'augmentation inévitable du chaos dans un système.

Il a mis en place une telle expérience de pensée.

Expérience de pensée ou comment le démon de Maxwell est apparu

L'essence de l'expérience de Maxwell:

Imaginez un conteneur divisé en deux moitiés égales. De plus, dans la cloison (celle-ci divise le récipient en deux parties identiques et est toujours absolument imperméable au gaz), il y a une ouverture microscopique qui ne peut laisser passer qu'un seul atome de gaz à la fois.

Et en même temps, la moitié du récipient est complètement remplie de gaz et la seconde est remplie de vide pur.

Imaginons maintenant mentalement qu'un micro-veilleur se présente à cette porte de contrôle, observant les molécules de gaz de la manière la plus intentionnelle.

Et en même temps, il (le gardien) ouvre le passage pour les molécules rapides et les laisse entrer dans la seconde moitié du récipient avec un vide, et laisse les molécules insuffisamment rapides là où elles se trouvaient.

Il est logique que si le travail du point de contrôle avec le gardien dure un temps significatif, alors le gaz sera divisé en deux parties. L'un aura un gaz refroidi avec des molécules lentes, et l'autre aura un gaz chaud avec des molécules de gaz chaud.

Ainsi, le système sera ordonné par rapport à l'état initial, et ainsi la deuxième loi de la thermodynamique est violée.

De plus, le déséquilibre de température obtenu est tout à fait acceptable à utiliser pour obtenir du travail (selon le théorème de Cycle et de Carnot).

Et cela signifie que si le gardien notoire est laissé au point de contrôle pour une durée illimitée, nous n'obtiendrons rien de plus qu'une machine à mouvement perpétuel.

C'était ce gardien-contrôleur que d'autres scientifiques appelaient le démon de Maxwell. Et il semblait que dans cette expérience, tout était pris en compte, et oh, comment cela ne blessait pas une machine à mouvement perpétuel. Mais il y a un problème important.

Quel est le problème de Demon Maxwell

Presque depuis le début, l'expérience de pensée a été remise en question, et voici pourquoi:

Pour le travail sans fin du gardien démon, un apport d'énergie sous la forme d'un flux de photons est nécessaire, ce qui est nécessaire pour éclairer et tamiser les molécules qui arrivent.

De plus, lors du tri des molécules, le démon ne peut qu'interagir avec les molécules, ce qui signifie qu'ils vont eux-mêmes acquérir l'énergie thermique du gaz. Cela signifie que l'entropie augmentera inévitablement.

Et l'entropie totale d'un tel système ne diminuera en aucun cas. Cela signifie qu'il n'y a pas de violation de la deuxième loi.

Un contre-argument important contre l'existence du démon de Maxwell est venu après la naissance de la mécanique quantique.

Ainsi, afin de trier correctement les molécules de gaz venant en sens inverse, le gardien doit mesurer avec précision leur vitesse, ce qui est en principe impossible selon l'incertitude de Heisenberg. De plus, selon le même principe, la position exacte de la molécule ne peut être déterminée.

Et cela signifie que inévitablement certaines des molécules, devant lesquelles la porte sera ouverte, la manqueront.

Autrement dit, le démon de Maxwell est essentiellement un éléphant macroscopique dans la boutique de porcelaine du micromonde, vivant selon ses propres règles.

Et s'il (le veilleur démon) est présenté conformément aux lois de la mécanique quantique, alors il sera incapable de trier les molécules. Par conséquent, il n'est pas dangereux pour la deuxième loi de la thermodynamique.

C'est ainsi que la créature mythique de la physique - le démon de Maxwell a été détruite.

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Merci d'avoir lu jusqu'au bout!