השד של מקסוול או איך לעקוף את החוק השני של התרמודינמיקה
שלום אורחים יקרים ומנויים לערוץ שלי. היום אני רוצה לדבר איתך על מה שמכונה שד מקסוול, שנוצר במהלך הדיון בחוק השני של התרמודינמיקה. אז בואו נתחיל.
לא רק ברומנים מדע בדיוניים אתה יכול למצוא יצור יוצא דופן כלשהו, אלא אפילו לכאורה באופן קיצוני רחוק מלהיות בדיוני, למדע כמו לפיזיקה מסתבר שיש מקום ליצורים יוצאי דופן ואף פנטסטיים, כמו למשל שדים.
אולי היצור המפורסם ביותר כזה היה מה שנקרא שד מקסוול, שנוצר על ידי ג'יימס פקיד מקסוול עצמו, יוצר מערכת המשוואות מקסוול. והוא (השד) הומצא במהלך הדיון הפעיל סביב החוק השני של התרמודינמיקה.
מה אומר החוק השני של התרמודינמיקה?
לכן, על פי החוק השני של הדינמיקה, יש לו מספיק ניסוחים, אך יחד עם זאת המשמעות הפיזית זהה: המערכת, בבידוד, לא מסוגל לעבור באופן עצמאי ממצב פחות מסודר למדינה מסודרת יותר מדינה.
לדוגמא, בואו נדמיין נפח מסוים של גז שבו מולקולות נעות במהירויות שונות. על פי החוק השני, הגז אינו מסוגל להתפצל באופן עצמאי לשני חצאים, כאשר אחד מהם יכיל גז עם מולקולות במהירות נמוכה, והחלק השני יכיל גז עם מולקולות במהירות גבוהה.
כמו כן, מספר גדול של תהליכים מסווגים כהפיכים. כך, למשל, ניתן להקפיא מים רגילים, ולאחר ההפשרה ניתן להשיג מים נוזליים שוב.
מתכת יכולה להיות ממוגנטת ואחר כך מומגזת. ישנם גם תהליכים בלתי הפיכים, כמו שריפת משהו. אך כל התהליכים הללו, על פי החוק השני של התרמודינמיקה, יובילו לשימור או לירידה במידת הסדר של המערכת.
מצב זה רדף והפריע למוחות המדעיים של המאה ה -19. ובאותה תקופה ניסח מקסוול את הפיתרון הלא טריוויאלי שלו, שכפי שנראה באותה תקופה, אפשרה לעקוף בחן את החוק השני של התרמודינמיקה ולמנוע את הגידול הבלתי נמנע בכאוס בסגירה מערכת.
הוא הקים ניסוי מחשבה שכזה.
ניסוי מחשבה או איך הופיע השד של מקסוול
מהות הניסוי של מקסוול:
דמיין מיכל המחולק לשני חצאים שווים. יתר על כן, במחיצה (זה מחלק את המיכל לשני חלקים זהים ועדיין אטום לחלוטין לגז) יש דלת פתיחה מיקרוסקופית שיכולה רק לאטום גז אחד לעבור בכל פעם.
ובאותה עת, מחצית האחת של המכולה מלאה לחלוטין בגז, והשנייה מתמלאת בוואקום טהור.
עכשיו בואו נדמיין מחשבתית שמוצג מיקרו-שומר בפני דלת המחסום הזו, תוך התבוננות במולקולות הגז בצורה הכי מכוונת.
ובמקביל, הוא (השומר) פותח את המעבר למולקולות מהירות ומכניס אותן לחצי השני של המכולה בוואקום, ומשאיר את המהירות הלא מספקת במקום שהיו.
זה הגיוני שאם עבודת המחסום עם השומר נמשכת זמן משמעותי, אז הגז יחולק לשני חלקים. באחד יהיה גז מקורר עם מולקולות איטיות, ובשני יהיה גז חם עם מולקולות גז חם.
לפיכך המערכת תוזמן ביחס למצב ההתחלתי, וכך החוק השני של התרמודינמיקה מופר.
יתר על כן, חוסר איזון הטמפרטורה שהתקבל מקובל למדי לשימוש לצורך קבלת עבודה (על פי משפט המחזור וקרנו).
וזה אומר שאם השומר הידוע לשמצה יישאר במחסום לזמן בלתי מוגבל, אז לא נקבל יותר ממכונת תנועה תמידית.
זה היה הבקר השומר הזה שמדענים אחרים כינו את השד של מקסוול. ונראה שבניסוי זה הכל נלקח בחשבון, ואוי, איך זה לא פוגע במכונת תנועה תמידית. אבל יש תפיסה אחת משמעותית.
מה הבעיה של השד מקסוול
כמעט מההתחלה נחקר הניסוי המחשבתי, והנה הסיבה:
לצורך עבודתו האינסופית של שומר השדים, נדרשת אספקת אנרגיה בצורת זרם פוטונים, הנחוצה להארת וניפוי מולקולות נכנסות.
כמו כן, כשמיינות מולקולות, השד אינו יכול אלא לקיים אינטראקציה עם המולקולות, מה שאומר שהן עצמן ירכשו אנרגיה תרמית מהגז. משמעות הדבר היא שהאנטרופיה תגדל בהכרח.
והאנטרופיה הכוללת של מערכת כזו לא תפחת בשום צורה שהיא. המשמעות היא שאין הפרה של החוק השני.
טיעון נגד משמעותי נגד קיומו של השד של מקסוול הגיע לאחר לידת מכניקת הקוונטים.
לכן, על מנת למיין נכון את מולקולות הגז המתקרבות, השומר צריך למדוד במדויק את מהירותן, אשר באופן עקרוני בלתי אפשרי על פי אי הוודאות של הייזנברג. כמו כן, על פי אותו עיקרון, לא ניתן לקבוע את מיקומה המדויק של המולקולה.
וזה אומר שבהכרח חלק מהמולקולות, שלפניהן תיפתח הדלת, יתגעגעו אליה.
כלומר, השד של מקסוול הוא למעשה פיל מקרוסקופי בחנות הסין של עולם המיקרו, החי לפי הכללים שלו.
ואם הוא (שומר השדים) יוצג בהתאם לחוקי מכניקת הקוונטים, הוא לא יוכל למיין את המולקולות. לכן, זה לא מסוכן לחוק השני של התרמודינמיקה.
כך נהרס היצור המיתולוגי של הפיזיקה, השד ממקסוול.
אם אהבתם את החומר, אז אל תשכחו לדרג אותו כרצונכם, וגם להירשם.
תודה שקראת עד הסוף!