マクスウェルの悪魔は、物理学者ジェームズ クラーク マクスウェルが 1871 年頃の思考実験の 1 つで呼び起こした架空の実体です。この思考実験は、平衡状態に存在するにもかかわらず、孤立したシステムから仕事を抽出する装置で構成されていました。均一な温度
基本的に、マクスウェルの概念的な実体は、宇宙の最も基本的で議論の余地のない法則である熱力学の第 2 法則に矛盾するか、回避する方法を巧みに考案した一種のデウス・エクス・マキナです。当然のことながら、一見何もないように見えるものから仕事やエネルギーを抽出するという概念 同僚を困惑させた — 確かに、これは貪欲な蒸気機関にたゆまぬ石炭を供給することの終焉を意味するのだろうか?無料のランチ!
今はそれほど基本的ではありませんか?
まあ、そうではありません。それがどのように機能するかを理解するには、まず法律の内容と、抜け穴を発見すると暴動が起こる理由を理解する必要があります。
孤立系と熱力学第二法則
熱力学は、熱とエネルギーの挙動を扱う物理の一分野です。熱力学では、孤立したシステムを、外部の世界やプロセスとまったく接触していない空間領域または装置を閉じ込める領域として説明します。一方、オープン システムまたは非分離システムは、外部プロセスと通信できるオブジェクトを制限する領域です。
(写真提供:Wavesmikey / ウィキペディア・コモンズ)
この法則は、温度に関して一致しない 2 つのオブジェクトまたは領域間の熱の流れの方向を支配します。それは、温度の異なる 2 つの物体が、互いに知り合って周囲から隔離されていると述べています。 、両方の物体がほぼ同じ温度になる熱力学的平衡に発展します。そのためには、熱が高温の物体から低温の物体に流れなければならないと論理的に推測できます。
ただし、 別のシステム (非分離システム) によって補助されている場合、熱は反対方向に流れる可能性があります。
この交換は、2 つのバケツ間の水の交換のように考えてください。ここで、温度の概念は、バケツに含まれる水の量で表すことができます。温度の高い物体は水が多いバケツで示され、温度が低い物体は水が少ないバケツで示されます。
下の図に示すように、バケツが細いパイプで結合されている場合、水がより多くの水を含むバケツから隣接する水にまで流れることがわかります。 開口部の水位。これで水は流れなくなります。これが平衡の始まりです。この設定は分離されたシステムを表していることに注意してください。
現在、水は他の方向にも流れることができます:貧弱なバケツから満杯のバケツへ。 3 番目のバケツから余分な水を入れます。どちらの場合も、外部からの助けが必要です。この設定は、分離されていないシステムを表します。
これは、別のシステムであるコンデンサーの暖かさを犠牲にして涼しい風が得られる冷蔵庫やエアコンで明らかです。
法則はエントロピーで定義することもできます 、システムの統計的無秩序またはランダム性の尺度。ランダム性に関しては、孤立したシステムではエントロピーは増加するだけです。 一方、分離されていないシステムでは、可逆プロセスが見られ、エントロピーは一定です。
しかし、繰り返しになりますが、恒常性は周囲を犠牲にしてもたらされます。追放された熱は、宇宙全体としてのエントロピーにエントロピーを追加します。エントロピーの増加は、自然過程の不可逆性を説明します。
したがって、平衡状態にあるシステムからエネルギーを抽出することは不可能ですが、悪魔はどのようにそれを行うのでしょうか?
マクスウェルの悪魔 – 抜け道
この実験は、1867 年頃にマクスウェルとピーター テイトの間で交わされた手紙の中で初めて登場しました。後にマクスウェルの熱力学に関する本 Theory of Heat で公開されました。 、1872年に出版。
マクスウェルは「悪魔」という言葉を決して使用しませんでしたが、この実験についての彼の説明では、エージェントは「有限の存在」のように部屋の間のドアを開けました。
しかし、ジャーナル Nature でマクスウェルの代理人を「悪魔」という言葉で初めて表現したのは、ロード ケルビンとして有名なウィリアム トムソンでした。 1874年。正当な理由として、彼は言葉の悪意のある意味ではなく、仲介を意図していると主張した.
この実験は、孤立したシステムに関するものです。この装置は、任意のガスを含む単純な立方体で構成されています。立方体は、均一で等しい温度を持つ 2 つの等しいサイズの領域に分割されます。その分裂の境界に悪魔が存在し、ランダムに散らばった粒子を細心の注意を払ってフィルタリングし、運動エネルギーの高いすべての粒子が一方の領域に集まり、残りの粒子が運動エネルギーの低い領域でうろつきます。
したがって、悪魔は、コンテナ内のすべての粒子の速度または運動エネルギーを注意深く分析するデバイスまたはマシンの比喩と考えることができます。分析に基づいて、どの粒子を選択的に導入する必要があり、どの粒子でブレイクアウトをプレイするかを正確に判断できます。
これは、一定温度の気体の粒子が同じ速度で移動するという慣習に反しています。ただし、これと同じ速度は平均です つまり、それよりも速く移動する粒子と遅く移動する粒子があり、平均的に互いに打ち消し合っています。
この単純なプロセスにより、その後、エネルギーの高いすべての粒子が 1 つのチャンバー内に追い詰められます。悪魔は、一方のチャンバーの温度を他方のチャンバーに比べて上昇させました。この過剰な温度または圧力は、タービンに電力を供給したり、ピストンを押したりするために使用できます。 別の言い方をすれば、悪魔は エントロピーを減らした 手間をかけずに!
マクスウェルは、オタクだったためにクラブに入ることを禁じられた後、このセンセーショナルなアイデアを思いつきました。
悪魔が陰湿な方法でエントロピーの法則に矛盾していることを理解することは不可欠ですが、それでもエネルギー保存の法則には違反していません.最初に平衡化されたシステムからエネルギーを回収できるように、圧力差を生成するためにランダムな運動エネルギーを再分配しただけです。悪魔の策略は自然そのものをだましました。
このような装置は本当に存在するのでしょうか?
私はそれが愚かであることを知っていますが、それは単純にできません。自然は簡単にだまされるものではありません。確かに、几帳面な悪魔は第 2 法の抑圧的な取り締まりをなんとか回避しましたが、依然として第 1 法の頭上に遍在するサーチライトから逃れることはできません。
第 1 法則は、機械は熱源がなければ仕事をすることができず、その過程で熱源の一部を吸収すると主張しています。または、プロセスの効率が完全に 100% になることはありません。参加しているマシンは、励ましが必要なだけでなく、熱を吸収することになり、それによって自身の温度が上昇します。
蒸気エンジンにおける熱エネルギーの機械エネルギーへの変換は絶対的なものではありません。熱の一部はエンジン自体によって吸収され、全体的な効率が低下し、周囲のエントロピーが増加します。
冷蔵庫のお父さんが厳しすぎると感じることがあります。
同様に、悪魔が特定の粒子を選択的に探し出す高度な機械である場合、仕事をするためのエネルギーをどこから得るのかという問題が生じます。たとえそうだとしても、機械の熱効率に関する拡張は、エントロピーが減少する可能性を依然として否定しています.
悪魔または機械は、たとえば光子の検出など、粒子に関する情報を取得する必要があります。それらと相互作用する過程で、このような複雑な機械は必然的にエネルギーを消費し、それ自体がいくらかの熱を吸収し、それによって正味エントロピーを初期値に戻します.
議論の本質は、計算により、悪魔は、それが基づいている原則によって根絶できるよりも多くのエントロピーを分子を分離して「生成」しなければならないということです.つまり、分子の速度を検出し、分子がチャンバー間の開口部を選択的に通過できるようにするには、プロセスによって引き起こされる温度差によって得られるエネルギー量よりも多くの熱力学的作業が必要になります。
ただし、マクスウェルの悪魔のパラドックスを説明しようとする特定の仮説があります。そのうちの 1 つはブラウン運動に関するもので、これはポーランドの物理学者マリアン スモルコウスキーによって提案され、アメリカの科学者リチャード ファインマンによって「ブラウン ラチェット」によってさらに発展したものです。パラドックスの別の説明は、ごく最近、物理学者のチャールズ・ベネットによって提案されました。
結局のところ、マクスウェルの卑劣さを評価する必要があります。しかし、第一法がなければ、公に悔やまれることから第二法を救うことはできませんでした。結局、無料のランチはありません!
