«Демон Максвелла»

Начала термодинаміки
 чи хто такий «демон Максвелла»?

        

Одним із розділів молекулярної фізики є «Термодинаміка». В основі цього розділу лежать три закони-начала.

Нульове начало термодинаміки

Будь-яка система прямує до стану теплової рівноваги. Система самовільно з цього стану вийти не може.

Перше начало термодинаміки 

(одне з 5-ти формулювань)

Кількість теплоти, яка надається системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи та на виконання системою роботи проти зовнішніх сил:

ΔQ = ΔU + ΔA'

Перше начало є, за своєю сутністю, законом збереження енергії, застосованим до теплових процесів. Одним із наслідків цього закону є неможливість створення вічного двигуна першого роду.

Відомий вчений, Рудольф Клаузіус, вивчаючи теплові процеси, показав, що тепло найімовірніше безпосередньо може переходити лише від гарячих тіл до холодних (хоча перехід "навпаки" не заборонений законом збереження енергії). 

Це твердження носить назву 

другого начала термодинаміки. 

В зворотньому напрямку – від гарячих до холодних – тепло не переходить, хоча закони цього не забороняють.

Багато вчених намагалися і намагаються знайти, змоделювати такі процеси, котрі дозволятимуть перетворювати повністю тепло в рух, іншими словами дозволятимуть теплу переходити від менш нагрітих тіл до більш нагрітих.

Розв’язок цього завдання дасть нам необмежену кількість енергії, не дозволяючи при цьому забруднювати середовище і, найголовніше, унеможливити теплову загибель Всесвіту.

Мал.1  "Демон" пропускає швидкі молекули в праву посудину, а повільні - в ліву

Розв’язвти цю задачу намагався в XIXст видатний англійський вчений Джеймс Максвелл. Саме він ввів в науку містичну істоту названу «демоном Максвелла», котра володіє унікальними можливостями слідкувати за окремою молекулою. Посадивши цю істоту в посудині з перегородкою біля дверей «демон» пропускатиме швидкі молекули в одну частину посудини, а повільні – в другу (мал.1). Тоді в одній частині посудини і температура, і тиск будуть вищими, ніж у другій, тобто ми без виконання роботи отримали певний запас енергії.

«Демон Максвелла», придуманий більше 100 років тому, і по-сьогодні, захоплює людей, хоча багато вчених переконливо доказували, що демон – це лише жарт, видумка видатного вченого, котрий немає реального підгрунтя. Ймовірність того, що молекули розподіляться (мал.2) дорівнює ймовірності того, що під час зіткнення «Таврії» та «Славути» утвориться цілком новий «Мерседес».

Мал.2 "Демон" закінчив виконувати свою функцію

Одним із наслідків другого начала термодинаміки є неможливість створення вічного двигуна другого роду.

Про третє начало термодинаміки поговоримо дещо згодом.