맥스웰의 악마는 물리학 자 제임스 서기 맥스웰 (Maxwell)이 1871 년경 그의 사고 실험 중 하나에서 혼란스러워하는 가상의 실체입니다. 사고 실험은 단일 균일 한 온도로 평형 상태에도 불구하고 격리 된 시스템에서 작업을 추출 할 장치로 구성되었습니다.
기본적으로 Maxwell의 개념적 실체는 일종의 Deus Ex Machina이며, 우주의 가장 근본적이고 논란의 여지가없는 법칙, 2 차 열역학 법칙을 상반하거나 영리하게 고안 한 일종의 Deus Ex Machina입니다. 당연히, 겉보기에 아무것도 에서 일이나 에너지를 추출한다는 개념 그의 동료들을 당황하게했다 - 이것은 분명히 이것이 끔찍한 증기 엔진에 석탄을 먹이는 것을 의미 할 수 있습니까? 무료 점심!
지금은 그렇게 근본적이지 않습니까?
글쎄요. 그것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 법이 수반하는 내용과 허점을 발견하는 것이 폭동을당하는 이유를 먼저 이해해야합니다.
고립 된 시스템과 열역학 제 2 법칙
열역학은 열과 에너지의 행동을 다루는 물리학의 지점입니다. 열역학은 분리 된 시스템을 공간 영역 또는 외부 세계 또는 공정과 전혀 접촉하지 않는 장치를 제한하는 영역으로 설명합니다. 개방형 또는 비 분리 시스템은 외부 프로세스와 통신 할 수있는 물체를 제한하는 지역입니다.
(사진 크레딧 :Wavesmikey / Wikipedia Commons)
법은 온도 측면에서 부적절하지 않은 두 물체 나 영역 사이의 열 흐름 방향을 제어합니다. 그것은 서로 다른 온도의 두 몸체가 서로 친해져 주변 환경에서 고립 될 때 라고 말합니다. , 두 몸체가 거의 동일한 온도를 갖는 열역학적 평형으로 진화합니다. 이를 위해서는 열이 온도의 물체에서 더 낮은 온도의 물체로 흐르아야한다는 논리적으로 추론 할 수 있습니다.
그러나 그러나 다른 시스템 (비 침투 시스템)에 의해 도움이된다면 열이 반대 방향으로 흐를 수 있습니다.
이 교환은 두 양동이 사이의 물 교환처럼 생각하십시오. 여기서 온도의 개념은 양동이에 포함 된 물의 양으로 묘사 될 수 있습니다. 그런 다음 더 높은 온도의 물체는 물이 더 많은 양동이로 설명하고 물이 적은 양동이에 의해 더 낮은 온도의 물체.
아래 그림과 같이 버킷이 좁은 파이프와 함께 결합 된 경우, 물이 더 많은 물을 함유 한 버킷에서 인접한 물 까지 물이 흐르는 것을 관찰 할 수 있습니다. 개구부와의 수위. 이제 물은 계속 흐르지 않을 것이므로 평형의 시작을 나타냅니다. 이 설정은 분리 된 시스템을 나타냅니다.
이제 물은 다른 방향으로 흐를 수 있습니다. 빈곤 한 버킷에서 전체 버킷까지, 전자의 작업을 수행함으로써 만 달성 할 수 있습니다. 좁은 터널을 통해 물이 흐르거나 외부 도움을 포함하는 두 경우 모두 세 번째 버킷에서 과도한 물로 채워 지도록 도전에 도달함으로써 달성 할 수 있습니다. 이 설정은 비 침투 시스템을 나타냅니다.
이것은 다른 시스템의 따뜻함을 희생하여 시원한 산들 바람을 얻는 냉장고 나 에어컨에서 분명합니다.
법은 또한 altropy 의 관점에서 정의 될 수 있습니다. , 시스템의 통계적 장애 또는 무작위성의 척도. 무작위성 측면에서 분리 된 시스템에서 엔트로피는 증가합니다. 반면에, 비 침투 시스템에서 가역적 과정을 목격하는 것은 엔트로피가 일정하다.
그러나 다시 말하지만, 불변성은 주변을 희생하여 발생합니다. 추방 된 열은 우주 전체로 엔트로피에 엔트로피를 추가합니다. 엔트로피의 증가는 자연 과정의 비가역성을 설명합니다.
따라서 평형 상태에서 시스템에서 에너지를 추출하는 것은 불가능하지만 악마는 어떻게해야합니까?
Maxwell의 악마-허점
이 실험은 1867 년경 맥스웰과 피터 테이트 사이의 편지 교환으로 처음 나타났습니다. 나중에 열역학 이론에 관한 Maxwell의 저서에서 대중에게 공개되었습니다. , 1872 년에 출판.
Maxwell 은이 실험에 대한 그의 설명에서“악마”라는 단어를 사용한 적이 없지만, 요원은“유한 한 존재”와 같은 챔버 사이에 문을 열었습니다.
.그러나 윌리엄 톰슨 (William Thomson)은 켈빈 (Kelvin) 경으로 유명한 윌리엄 톰슨 (William Thomson)이었다. 1874 년. 정당화로서, 그는 자신이 악의적 인 단어의 의미가 아니라 중재를 의도했다고 주장했다.
.실험은 분리 된 시스템과 관련이 있습니다. 장치는 임의의 가스를 함유 한 간단한 입방체로 구성됩니다. 입방 형은 균일 한 온도를 가진 동일하게 크기의 영역으로 나뉩니다. 그들의 분열 경계에는 악마가 있는데, 그는 더 높은 운동 에너지를 자랑하는 모든 입자가 한 영역에서 집계되는 반면, 나머지 입자는 다른 영역에서 낮은 운동 에너지로 젖어있는 방식으로 무작위로 낭비 된 입자를 세 심하게 걸러냅니다.
.따라서 악마는 용기 내부의 모든 입자의 속도 또는 운동 에너지를 신중하게 분석하는 장치 또는 기계의 은유로 생각할 수 있습니다. 분석을 바탕으로 선택적으로 어떤 입자를 선택 해야하는지 정확하게 결정할 수 있으며.
이것은 일정한 온도에서 가스 입자가 같은 속도로 주위를 이동한다는 규칙에 위배됩니다. 그러나이 속도는 평균 입니다 속도, 즉 그보다 더 빨리 이동하는 입자와 속도가 느려지면서 평균으로 서로를 부정하는 입자가 있음을 의미합니다.
이 간단한 과정에 의해, 이후에 높은 에너지를 가진 모든 입자는 한 챔버에 모서리됩니다. 악마는 다른 챔버와 비교하여 한 챔버의 온도를 높였습니다. 이 과도한 온도 또는 압력은 터빈에 전원을 공급하거나 피스톤을 밀어 넣는 데 사용될 수 있습니다. 이것을 다시 말하면, 악마는 엔트로피를 줄였습니다 일의 지출없이!
맥스웰은 클럽에 들어가는 것이 금지 된 후이 감각적 인 아이디어를 생각했습니다. 왜냐하면 그는 괴상했기 때문입니다.
교활한 방식으로 악마가 엔트로피의 법칙과 모순된다는 것을 깨닫는 것이 필수적이지만 여전히 에너지 보존 법을 위반하지는 않았습니다. 그것은 단지 임의의 운동 에너지를 재분배하여 압력 차이를 생성하여 초기 평형 시스템에서 에너지를 수확 할 수 있도록 압력 차이를 생성했습니다! 악마의 지하실은 자연 자체를 속였다.
이와 같은 장치가 실제로 존재할 수 있습니까?
나는 그것이 굳건하다는 것을 알고 있지만 단순히 할 수는 없습니다. 자연은 쉽게 속이는 사람이 아닙니다. 물론, 엄청난 악마는 제 2 법의 억압적인 정책을 피할 수 있었지만 여전히 1st의 전능 한 Searchlight 오버 헤드를 피할 수는 없습니다.
.첫 번째 법칙은 아무도 열원없이 작동 할 수 없으며 그 과정에서 그 자체를 흡수 할 수 없다고 주장합니다. 또는 프로세스의 효율성은 결코 100%가 될 수 없습니다. 참여하는 기계는 약간의 격려가 필요할뿐만 아니라 열을 스스로 담그는 데 묶여 자체 온도를 증가시킵니다.
증기 엔진에서 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것은 절대적이지 않습니다. 열의 일부는 엔진 자체에 흡수되어 전체 효율을 줄이고 주변 엔트로피를 증가시킵니다.
때때로 나는 내 냉장고의 아빠가 너무 힘들다는 것을 느낍니다.
마찬가지로, 악마가 특정 입자를 선택적으로 추구하는 고급 기계라면, 에너지가 어떻게 작동하는지에 대한 의문이 생깁니다. 그리고 그것이 그렇게 되더라도 기계의 열 효율에 관한 확장은 여전히 엔트로피가 감소 될 가능성을 부정합니다.
악마 나 기계는 입자에 관한 정보를 얻어야합니다. 예를 들어, 광자를 감지한다고 가정 해 봅시다. 그들과 상호 작용하는 과정에서, 이와 같은 복잡한 기계는 필연적으로 에너지를 소비하고 열 자체를 흡수하여 순 엔트로피를 초기 값으로 다시 증가시킵니다.
.논쟁의 본질은 계산에 의해 모든 악마가 분자를 기반으로하는 원리에 의해 근절 할 수있는 것보다 분자를 분리하는 더 많은 엔트로피를“생성”해야한다는 것이다. 즉, 분자의 속도를 감지하는 데 더 많은 열역학적 작업이 필요하고 공정에 의해 야기 된 온도 차이에 의해 얻은 에너지의 양보다 챔버 사이의 개구부를 선택적으로 통과 할 수 있습니다.
.그러나 맥스웰 악마 역설을 설명하려는 특정 가설이 있습니다. 그중 하나는 폴란드 물리학자인 Marian Smoluchowski가 제안한 아이디어 인 Brownian Motion과 관련이 있으며 그의“Brownian Ratchet”을 통해 미국 과학자 Richard Feynman이 더욱 발전했습니다. 역설에 대한 또 다른 설명은 물리학 자 찰스 베넷 (Charles Bennett)이 공정하게 제안했습니다.
결국 말하고 행해지면 맥스웰의 몰래 감사해야합니다. 그러나 첫 번째 법이 아니었다면 아무도 제 2 법을 공개적으로 저장하는 것을 막을 수 없었습니다. 결국 무료 점심은 없습니다!
