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Maxwells Dämon ist ein Gedankenexperiment, von 1867, des schottischPhysikerJames Clerk Maxwell und beabsichtigt zu Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Zweifeln. Das Wort Dämon bezieht sich auf ein fiktives Wesen, das dieses Naturgesetz mit seinen Handlungen umgeht.
Nach diesem Gesetz bewegt sich ein geschlossenes System immer zu einem höheren Entropie schließlich die höchstmögliche Entropie erreichen und verbleiben. Die Entropie wird nie sinken. Es ist also nicht möglich für zwei Körper mit gleichem Temperatur in thermischem Kontakt miteinander sind und zusammen ein geschlossenes System bilden, entwickeln sich zu einem Zustand, in dem ein Körper eine höhere Temperatur hat als der andere.
Maxwell entwickelte ein geschlossenes System, in dem die Entropie reduziert werden konnte und beschrieb dies in 1867 in einem Brief an seinen Freund und Physikerkollegen Peter Guthrie Tait. Im 1871 er beschrieb es noch einmal in einem Brief an John William Strutti und dann veröffentlichte er es in 1872 in seinem Buch Theorie der Wärme. Er sprach hier noch nicht von einem "Dämon". Der Begriff "Maxwells Dämon" wurde erstmals von William Thomson im 1874 in einem Artikel im Magazin Natur. Der Begriff Dämon wurde häufiger verwendet, um hypothetische Wesen zu bezeichnen, die Naturgesetzen oder philosophischen Ideen trotzen. Das Konzept hat viele Diskussionen ausgelöst.
Das Gedankenexperiment
Angenommen, wir haben zwei Räume mit einer Trennwand, die zusammen ein geschlossenes System bilden. Die Räume enthalten das gleiche Gas mit der gleichen Temperatur. Die Tatsache, dass dieses Gas die gleiche Temperatur hat, bedeutet jedoch immer noch, dass das Individuum Moleküle unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche Geschwindigkeiten. Zwischen den beiden Räumen befindet sich eine Trennwand mit einer kleinen Tür, die von einer Kreatur, Maxwell's Demon, bedient werden kann. Angenommen, diese Kreatur hat die Fähigkeit, die Geschwindigkeit von a of zu erhöhen Molekül dann kann dies die Tür öffnen, wenn ein Molekül mit hoher Geschwindigkeit ankommt, und sich schließen, wenn ein Molekül mit niedriger Geschwindigkeit ankommt. Auf diese Weise würde der Dämon beispielsweise schnelle Moleküle von einem Raum in einen anderen und langsame Moleküle in einen anderen lassen. Dies würde bedeuten, dass die durchschnittliche Geschwindigkeit der Moleküle in einem Raum zunimmt und damit die Temperatur steigt. Im anderen Raum würde die Temperatur sinken. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Räumen, die im Gegensatz zu den Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Perpetuum Mobile
Theoretisch wäre diese Methode Perpetuum Mobile gebaut werden kann. Die Wärmedifferenz zwischen den beiden Räumen könnte genutzt werden um WärmemaschineEnergie generieren. Jetzt sofort Nanomechanismus Das Betreiben der Tür und die Nutzung (eines Teils) der erzeugten Energie würde zu einem Gerät führen, das keine Energie kostet, diese aber erzeugt. Dies widerspricht den Gesetzen der Thermodynamik. Der Punkt ist jedoch, dass dies zwei getrennte Prozesse sind. Trennung der Moleküle und der Mechanismus, der die Moleküle erkennt und die Tür zum richtigen Zeitpunkt betätigt. Es ist möglich, dass dieser Mechanismus immer energieeffizienter gestaltet wird, bis er weniger Energie verbraucht als er produziert.
Analyse
Ist das richtig? Könnte ein solcher Dämon oder Mechanismus existieren? Eine der bekanntesten Antworten darauf wurde vorgeschlagen in 1929 durch Leo Szilard und später von Leon Brillouin. Szilárd erklärte, dass ein solcher Dämon die Fähigkeit haben muss, die molekulare Geschwindigkeit zu messen, diese Messung würde Energie Kosten. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik Muss Erhöhen Sie die Entropie des geschlossenen Systems. Da es eine Wechselwirkung zwischen dem Dämon und dem Gas gibt, sollten wir diese beiden zusammen betrachten. Der Energieverlust des Dämons führt zu einer Zunahme seiner Entropie, die größer ist als die Entropieabnahme des Gases. Diese Entropiezunahme bedeutet, dass das Experiment den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt.
Diese Aussage wurde erweitert in 1982 durch Charles H. Bennett. 1960 realisiert Rolf Landauer dass thermodynamische reversible Messungen die Entropie nicht erhöhen. In Maxwells Gedankenexperiment würde dies bedeuten, dass der Dämon Informationen über den Zustand des Moleküls speichern muss. Da sich der Dämon nicht an alles erinnern kann, vergisst er irgendwann Dinge und macht frühere Messungen unumkehrbar. Landauer argumentierte, dass das Löschen von Informationen Energie kostet.
Performance
Der Stand der Technik ist noch nicht so weit, dass das Experiment tatsächlich durchgeführt werden kann. Es wurden Experimente mit dem Fangen durchgeführt Elektronen. Das kam der Idee von Maxwells Dämon nahe. Dies waren immer Elektronen, die sich frei von einer Seite eines Stromkreises zur anderen bewegen konnten. Der Stromkreis wurde so gebaut, dass die Elektronen nicht zurückkehren konnten. Auf diese Weise wurde auf der einen Seite eine Niederspannung und auf der anderen eine Hochspannung aufgebaut. Es stellte sich immer heraus, dass der Betrieb der Schaltung mehr Energie kostet, als von den Elektronen aufgebaut wurde.