Хитрый, расчетливый и нереальный: кто такой демон Максвелла

В конце XIX века британский физик Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, который, казалось бы, нарушает законы термодинамики. В итоге центрального персонажа этого эксперимента назвали демоном Максвелла. Попробуем разобраться, чем же примечательна эта вымышленная сущность. 

Демон Максвелла — гипотетическая сущность, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом в одном из его мысленных экспериментов, предположительно, в 1871 году.

При чем тут демон и Максвелл? В общем говоря, сущность, предложенная Максвеллом, — эдакий противоречащий бог из машины, можно сказать, обнаруживший способ обойти один из самых фундаментальных и неоспоримых законов Вселенной — второе начало термодинамики. Изначально коллеги ученого не восприняли мысленный эксперимент всерьез и даже были сбиты с толку, ведь эта «сущность» могла означать, что наконец-то можно забыть о трате угля и просто бесконечно получать работу, по сути, из ничего.

Однако в реальности все не совсем так. О втором законе термодинамики и энтропии вы можете прочитать в другом нашем материале. А сейчас мы попробуем разобраться, почему демон Максвелла вызвал недоумение у светочей науки конца XIX века.

Изначально мысленный эксперимент Максвелла был упомянут в переписке ученого с Питером Тейтом примерно в 1867 году. Позже он был представлен общественности в книге Максвелла о термодинамике под названием «Теория теплоты» (Theory of Heat), опубликованной в 1872 году.
 

 
Несмотря на то что сам Максвелл никогда не использовал слово «демон», описывая эксперимент, его агент открывал дверь (в перегородке в нашем ящике с газом) между камерами, как «ограниченное существо». Впервые эту сущность назвал «демоном» Уильям Томсон, известный как Лорд Кельвин, для описания агента Максвелла в журнале Nature в 1874 году. В качестве обоснования он утверждал, что хотел таким образом обозначить посреднический характер сущности и ни в коем случае не собирался делать упор на негативный оттенок самого слова.

Итак, вернемся к эксперименту. Речь идет прежде всего о закрытой системе. Предполагаемый аппарат состоит из простого кубоида, в котором содержится какой-то произвольный газ. Кубоид разделен на две секции равного размера с одинаковой, равномерной температурой. На стенке, разделяющей секции, сидит демон, тщательно отбирающий случайным образом разбросанные частицы так, что все частицы с высокой кинетической энергией собираются в одной секции, а остальные — с низкой кинетической энергией — остаются в другой.

Можно сказать, что этот демон — метафора приспособления или машины, способной тщательно анализировать скорость или кинетическую энергию каждой частицы в каком-либо контейнере. Основываясь на своем анализе, приспособление может точно определить, какие частицы ему следует, грубо говоря, оставить себе, а от каких — избавиться.
 

 
Между тем это противоречит общепринятому мнению, что частицы газа при постоянной температуре движутся с одинаковой скоростью. Тем не менее эта же скорость — их средняя скорость, а значит, есть частицы, движущиеся с более высокой скоростью, и есть частицы, движущиеся с более низкой скоростью, сводя все к среднему значению.

При помощи этого процесса — действий демона Максвелла — все частицы с высокими энергиями впоследствии загоняются в одну секцию. Демон повысил температуру одной части ящика по сравнению с другой. Эту избыточную температуру или давление можно использовать для питания турбины либо поршня. Да, из этого следует, что мы получаем энергию буквально из ничего. Другими словами, демон уменьшил энтропию, не затратив при этом усилий.

Необходимо понять, однако, что коварный демон применил свои уловки и в итоге смог противоречить закону энтропии, но закон сохранения энергии он не нарушил. Он просто перераспределил случайную кинетическую энергию для создания разницы в давлении, достаточной для получения энергии из изначально уравновешенной системы. Хитрость демона обманула саму природу!

Как бы то ни было, подобный аппарат в реальности создать невозможно. Природу не так легко обмануть. Конечно, коварный и умный демон смог избежать гнетущих санкций второго начала термодинамики, но ему никуда не деться от всевидящего ока первого начала термодинамики.

Согласно первому началу термодинамики, никакая машина не способна функционировать без источника тепла, а в процессе работы еще и частично его поглощать. Или же производительность процесса никогда не достигнет 100 процентов. Машинам нужен не только стимул в виде тепла, им еще необходимо впитывать его, тем самым повышая собственную температуру.

Преобразование тепловой энергии в механическую энергию в паровых двигателях не абсолютна. Часть тепла поглощается самим двигателем, понижая общую производительность и повышая окружающую его энтропию.

Если же демон — это высокотехнологичная машина, избирательно отслеживающая определенные частицы, возникает вопрос: откуда он берет энергию для выполнения своей работы? Даже если он каким-то образом умудряется это делать, то расширение в отношении тепловой производительности машины все равно отрицает возможность снижения энтропии.

Демону или машине пришлось бы получить информацию относительно частиц. Возьмем, к примеру, фотоны. В процессе взаимодействия с ними сложный аппарат вроде демона Максвелла неизбежно будет тратить энергию и сам впитывать часть тепла, повышая общую энтропию и приводя ее к изначальному значению.

Суть аргумента в том, что, по расчетам, любой демон будет неминуемо «генерировать» больше энтропии, разделяя молекулы, чем он когда-либо сможет ее «уничтожить», — это соответствует принципам, на которых он основан. Другими словами, ему потребовалось бы гораздо больше термодинамической работы для определения скорости молекул и их отбора для прохода через дверь между секциями, чем количество энергии, полученной в результате разности температур, возникшей после проделанной работы.

Как бы то ни было, нельзя не отметить, что Максвелл был весьма хитер. Однако, если бы не первое начало термодинамики, ничто бы не спасло второе начало от публичного позора.