Демон Максвелла

Опубликовано 12.10.2010 Ведущий Антон Степанов

Второй принцип термодинамики накладывает ограничения на направление передачи тепла между телами, а именно говорит о том, что самопроизвольная передача тепла от менее нагретого тела более нагретому - невозможна. Другой формулировкой может быть следующая: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. В 1867 году Джеймс Максвелл предложил умозрительный эксперимент, иллюстрирующий парадокс второго начала термодинамики. Он заключается в следующем. Предположим, что у нас есть сосуд, который разделен внутри пополам непроницаемой перегородкой. Сосуд заполнен газом, а в перегородке имеется отверстие с дверкой, способной открываться и пропускать из одной части сосуда в другую только быстрые молекулы, а в обратном направлении только медленные. Собственно эта умная дверка и получила название Демон Максвелла. В результате ее работы по сортировке молекул, через некоторое время в одной части сосуда окажутся только быстрые молекулы, а значит, газ будет иметь высокую температуру. А в другой части - напротив только медленные молекулы холодного газа. Получается, что, не прикладывая дополнительной энергии, мы одну часть нагрели, а другую охладили. При этом степень упорядоченности системы повысилась, т.е. понизилась энтропия, что противоречит упомянутому закону термодинамики.
Разрешить противоречие пробовали многие ученые, причем по мере развития науки появлялись доказательства с точки зрений полученных новых знаний. Например, после появления квантовой механики было популярно следующее объяснение. Демону Максвелла для сортировки молекул будет необходимо замерять и сравнивать их скорости, а в силу принципа неопределенности Гейзенберга точно сделать это он будет не в состоянии. Да и вообще, в силу этой неопределенности невозможно будет так же определить местоположение частиц, чтобы распахнуть или закрыть перед ними дверь. Иными словами, условие задачи оперирует макроскопическими величинами, температурой вещества. А на микроуровне приходится оперировать законами квантовой механики, что делает создание Демона затруднительным.
Впрочем, это вопрос технологии конструирования, а в чем же противоречие со вторым законом термодинамики? Демон Максвелла нарушает замкнутость системы. Ему нужен приток энергии для выполнения своей работы. Для работы требуется обмен информацией с внешним источником. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Увы, источника бесплатной энергии пока опять не получилось.