Следующий раздел: Что такое энергия?
Выше по контексту: Краткая физическая энциклопедия1
Предыдущий раздел: Почему ученые ожидают потепление климата?
Вопрос: Что такое демон Максвелла?
Ответ: Вот такое определение демона Максвелла дано в известном
бестселлере "Понедельник начинается в субботу" Аркадия и Бориса
Стругацких: Демон Максвелла -- важный элемент мысленного эксперимента
крупного английского физика Максвелла. Предназначался для нападения
на второй принцип термодинамики. В мысленном эксперименте Максвелла
демон располагался рядом с отверстием в переборке, разделяющей сосуд,
наполненный движущимися молекулами. Работа демона состоит в том,
чтобы выпускать из одной половины сосуда в другую быстрые молекулы
и закрывать отверстия перед носом медленных. Идеальный демон способен
таким образом без затраты труда создать очень высокую температуру
в одной половине сосуда и очень низкую -- в другой, осуществляя
вечный двигатель второго рода. Однако только сравнительно недавно
и только в нашем институте (имеется в виду НИИЧАВО -- Научно-Исследовательский
Институт ЧАродейства и ВОлшебства) удалось найти и приспособить
к работе таких демонов.
Теперь по порядку: Второе начало термодинамики было сформулировано
Р. Клаузиусом в 1850 году: "Невозможен процесс, при котором теплота
переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более
нагретым". Второе начало термодинамики исключает возможность создания
вечных двигателей второго рода -- машин непрерывного действия, способных
превращать в полезную работу всю подводимую к ним теплоту (обходиться
только нагревателем и не использовать холодильник при своей работе).
Середина XIX века -- это время, когда происходила ломка стереотипов.
На место причинных динамических законов становятся статистические
законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной
точностью, а лишь с большой степенью вероятности. Для того чтобы
показать, что второе начало термодинамики не является абсолютным
(непреложным и всегда выполнимым) законом природы на сцену появился
мысленный эксперимент с демоном Максвелла (1871 г.).
Демон работает таким образом, что одна часть сосуда самопроизвольно
нагревается, а другая охлаждается -- это нарушает второе начало
термодинамики. Преодоление трудностей с нарушением второго начала
потребовало от Больцмана радикального нововведения: второе начало
термодинамики рассматривается не как достоверный закон природы (который
таки нарушается с помощью демонов Максвелла), а как в высшей степени
вероятный.
Допустим у нас есть резервуар с горячими ( штук) и холодными ( штук) молекулами (газ идеальный и взаимодействия между молекулами
не происходит). Мы его оставили на длительное время. Мысленно поделим
резервуар пополам. Вероятность того что холодная молекула окажется
в правой половине равна (поделили пополам), то же самое можно сказать и про вероятность
для горячей молекулы оказаться в левой половине. Вероятность того,
что все горячие молекулы соберутся слева, а все холодные справа,
есть просто произведение вероятностей и равно:
|
(11) |
Полученное число есть вероятность того, что второе начало термодинамики
нарушается. В реальной жизни обычно имеют дело с объемами, в которых
содержатся около молекул. Если это чило подставить в формулу 11,
то полученная вероятность будет очень мала:
Чем же занимались демоны Максвелла в НИИЧАВО: "Демоны играли в
самую стохастическую из игр -- в орлянку... Один выигрывал, а другой,
соответственно, проигрывал, и это их беспокоило, так как нарушало
статистическое равновесие."
Рекомендуемая литература: Марио Льоцци "История Физики", Физический
Энциклопедический словарь.
Очень рекомендуемая литература: "Понедельник начинается в субботу"
-- сказка для научных работников младшего возраста, Аркадий и Борис
Стругацкие.
|