Qu'est-ce que le démon de Maxwell?

Anonim

Le démon de Maxwell est une entité hypothétique imaginée par le physicien James Clerk Maxwell dans une de ses expériences de pensée vers 1871. Cette expérience de pensée consistait en un appareil permettant d'extraire une œuvre d'un système isolé, bien qu'il existe dans un équilibre, à une seule température uniforme.

Fondamentalement, l'entité notionnelle de Maxwell est une sorte de deus ex machina qui contredit ou a intelligemment conçu un moyen de contourner ce qui est la loi la plus fondamentale et la plus incontestable de l'univers: la deuxième loi de la thermodynamique. Naturellement, l'idée d'extraire du travail ou de l'énergie apparemment de rien ne déroutait pas ses collègues - cela pourrait sûrement mettre fin à l'alimentation ininterrompue du charbon dans une machine à vapeur vorace? Un repas gratuit!

Ce n'est pas si fondamental maintenant?

Eh bien pas vraiment. Pour comprendre comment cela fonctionne, nous devons d'abord comprendre ce que la loi implique et pourquoi découvrir une faille appelle une émeute.

Systèmes isolés et deuxième loi de la thermodynamique

(Crédit photo: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

La loi régit la direction du flux de chaleur entre deux objets ou régions incongrues en termes de température. Il indique que deux corps de températures différentes, lorsqu'ils se connaissent et sont isolés de leur environnement, vont évoluer vers un équilibre thermodynamique dans lequel les deux corps ont approximativement la même température. Pour que cela se produise, on peut en déduire logiquement que la chaleur doit s'écouler de l'objet de température supérieure à celui de température inférieure.

Cependant, la chaleur peut circuler dans le sens opposé, à condition d'être assistée par un autre système (système non isolé).

Pensez à cet échange comme à un échange d’eau entre deux seaux. Ici, la notion de température peut être décrite par la quantité d'eau contenue dans un seau. Un objet de température plus élevée est ensuite illustré par un seau avec plus d'eau alors qu'un objet de température plus basse par un seau avec moins d'eau.

Si les seaux sont maintenant joints à un tuyau étroit, comme indiqué dans la figure ci-dessous, vous remarquerez que l'eau coulera du seau contenant davantage d'eau dans l'eau adjacente jusqu'à ce que l'eau atteigne le niveau avec l'ouverture. Maintenant, plus aucune eau ne coulera, ce qui marque le début de l'équilibre. Notez que ce paramètre représente un système isolé.

Maintenant, l’eau peut aussi couler dans l’autre sens: du seau appauvri au plein, mais cela ne peut être obtenu qu’en travaillant sur le premier: soit en l’inclinant à un degré tel que l’eau coule dans le tunnel étroit ou en le remplissant avec un excès d'eau d'un troisième seau, dans les deux cas impliquant une aide extérieure. Ce paramètre représente un système non isolé.

Cela est évident dans les réfrigérateurs ou les climatiseurs où une brise fraîche est obtenue aux dépens de la chaleur d'un autre système - le condenseur.

La loi peut également être définie en termes d' entropie, de mesure du désordre statistique ou du caractère aléatoire d'un système. En termes d'aléatoire, dans un système isolé, l'entropie ne fera qu'augmenter. En revanche, dans un système non isolé, témoin d’un processus réversible, l’entropie est une constante. Cependant, encore une fois, la constance se fait au détriment de l’environnement - la chaleur exilée ajoute une entropie à l’entropie dans son ensemble de l’Univers. L'augmentation de l'entropie explique l'irréversibilité des processus naturels.

Il est donc impossible d'extraire de l'énergie d'un système en équilibre, mais comment le diable le fait-il?

Maxwell's Demon - L'échappatoire

Cela va à l’encontre de la convention selon laquelle les particules d’un gaz à température constante se déplacent à la même vitesse. Cependant, cette même vitesse correspond à leur vitesse moyenne, ce qui signifie que certaines particules se déplacent plus rapidement et que les particules se déplacent plus lentement, se niant mutuellement.

Par ce processus simple, toutes les particules de haute énergie sont ensuite regroupées dans une chambre. Le démon a élevé la température d'une chambre par rapport à l'autre. Cet excès de température ou de pression peut être utilisé pour actionner une turbine ou pousser un piston, oui, de façon perceptible . En d'autres termes, le démon a diminué l'entropie sans aucune dépense de travail!

Maxwell a pensé à cette idée sensationnelle après s'être vu interdire d'entrer dans un club, car il était un nerd.

Il est impératif de réaliser que le démon, de manière insidieuse, a contredit la loi de l'entropie, mais qu'il n'a toujours pas violé la loi de la conservation de l'énergie. Il a simplement redistribué l'énergie cinétique aléatoire pour générer une différence de pression, de sorte que l'énergie puisse être récupérée à partir d'un système initialement équilibré! Le subterfuge du démon a dupé la nature elle-même.

Un appareil comme celui-ci peut-il vraiment exister?

Parfois, je pense que le père de mon frigo est trop dur avec lui.

De même, si le démon est une machine très avancée qui recherche sélectivement certaines particules, la question se pose de savoir d'où provient son énergie. Et même si c'est le cas, l'extension concernant l'efficacité thermique d'une machine empêche toujours la possibilité d'une entropie réduite.

Le démon ou la machine devrait acquérir des informations sur les particules, par exemple, détectons des photons. En interagissant avec eux, une machine complexe comme celle-ci va inévitablement dépenser de l'énergie et absorber de la chaleur elle-même, ce qui ramènera l'entropie nette à la valeur initiale.

L'essence de l'argument est que, par calcul, tout démon doit "générer" plus d'entropie séparant les molécules qu'il ne pourrait jamais éradiquer selon les principes sur lesquels il est basé. Autrement dit, il faudrait plus de travail thermodynamique pour détecter la vitesse des molécules et leur permettre sélectivement de traverser l'ouverture entre les chambres que la quantité d'énergie gagnée par la différence de température provoquée par le processus.

Après tout, il faut apprécier la furtivité de Maxwell. Cependant, s'il n'y avait pas eu la première loi, personne ne pourrait empêcher la seconde loi d'être publiquement fâchée. Il n'y a pas de repas gratuits après tout!