Александр Розов (alex_rozoff) wrote,
Александр Розов
alex_rozoff

Categories:

Команда Тибадо рожает демона Максвелла (вечный двигатель 2-го рода). Энтропия теряет трон

Эта история началась с прикладной термодинамики Сади Карно в 1824-м. Идея Карно вкратце такова: любая тепловая машина частично преобразует термодинамической потенциал упорядоченности, состоящий в разности температур двух тепловых резервуаров (холодильника и нагревателя) - в полезную работу, а часть потенциала просто рассеивается. В итоге температуры выравниваются, и тепловая система приходит к неупорядоченности, к термодинамическому хаосу.
Формально постулат, известный как "Второе начало термодинамики" (или принцип неубывания энтропии) сформулировал Уильям Томсон, лорд Кельвин в 1851-м.
"невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работ".
Если формулировать это в терминах энтропии, то: в замкнутой системе невозможен процесс, приводящий к повышению ее упорядоченности
Если формулировать в практическом плане, то: невозможна машина, совершающая полезную работу лишь за счет охлаждения одного теплового резервуара
Последняя формулировка известна, как запрет Вечного двигателя 2-го рода.

В 1865 Рудольф Клаузиус сделал из Второго начала термодинамики внезапный но логичный космологический вывод. Если все так, то температуры во Вселенной неуклонно выравниваются, и в какой-то момент будет достигнута их равномерность (термодинамический хаос). Тогда никакие процессы более не смогут происходить. Идея Клаузиуса получило название "Тепловая смерть вселенной", и вызвала активное неприятие со стороны ряда физиков. Возник ряд контр-идей, основанных на том, что Второе начало термодинамики с энтропией на троне Вселенной НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ФИЗИЧЕСКИМ ЗАКОНОМ, это лишь ПОСТУЛАТ (удобная гипотеза и не более).
В 1867-м Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент: допустим, есть два резервуара с газом, разделенные микро-дверцей. Исходно температура в них одинакова. Но у дверцы дежурит специально обученный микро-демон, который открывает и закрывает дверцу, позволяя пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только слева направо, а медленным (холодным) молекулам — только справа налево.

Из-за действий демона Максвелла, слева окажется холодный газ, а справа - горячий. Можно включать тепловую машину и получать полезную работу, цинично игнорируя Второе начало термодинамики. В XIX веке это казалось лишь игрой ума, но в XX веке было отмечено, что принцип неубывания энтропии сомнителен в мегамире и в микромире, после чего в XXI веке Второе начало термодинамики неиллюзорно зашаталось уже в макромире.

В 2010-м Масахито Уэда (Masahito Ueda) с командой из университета Токио поставили любопытный эксперимент с микрометровыми полистироловыми шариками, погруженными в жидкость. Они показали, что при наложении электрического поля можно добиться статистически более упорядоченного вращения шариков, чем это допускается Вторым началом термодинамики. Художник с изрядным чувством юмора изобразил эксперимент команды Масахито Уэда вот так:
.
Этот эксперимент, в общем-то, не предполагал прямого практического приложения, однако проложил мостик между термодинамическими флуктуациями в микромире и энергетическими результатами в макромире.

В 2016-м Пол Тибадо (Paul Thibado) с командой из университета Арканзаса представили изящную экспериментальную работу с полотном графена (формой углерода в виде слоя одноатомной толщины).

Из-за тепловых колебаний атомов углерода в плоской макромолекулярной структуре графена и теплового броуновского движения молекул окружающей среды, динамическое поведение графенового полотна выглядит (в очень грубой иллюстрации) как поведение пакета из тонкой пленки на умеренном ветру.

Из результатов работы следует что хаотические волны деформации микро-масштаба в графеновом полотне некоторым образом доступны для суммирования и могут быть преобразованы в электрический потенциал, снимаемый на краях графенового полотна.
Схема Вечного двигателя 2-го рода по версии Пола Тибадо выглядит примерно так:


Если результаты подтвердятся, это будет значить, что команда из Арканзаса сумела родить демона Максвелла. Правда, плоского демона, но это уже детали.
Разумеется (несмотря на яркие фантазии журналистов "Популярной механики") это не значит, что завтра мы получим домашних демонов Максвелла, заряжающих аккумуляторы гаджетов за счет тепла окружающей среды. Но это значит нечто гораздо более серьезное - разжалование общего постулата неубывания энтропии до ранга частного свойства некоторых классов термодинамических систем.
Пожалуй, давно не случалось настолько серьезной революции в общепринятых и общеизвестных физических представлениях о макромире.

...Такие дела...
-------------------------------------------------------------------------
История вопроса об изобретении и рождении демона Максвелла
14 November 2010 Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality
Shoichi Toyabe, Takahiro Sagawa, Masahito Ueda, Eiro Muneyuki & Masaki Sano
https://www.nature.com/articles/nphys1821
Демон Максвелла заработал
https://www.gazeta.ru/science/2010/11/16_a_3438049.shtml
Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes
M. L. Ackerman, P. Kumar, M. Neek-Amal, P. M. Thibado, F. M. Peeters, and Surendra Singh
Phys. Rev. Lett. 117, 126801 – Published 13 September 2016
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.126801
https://www.popmech.ru/science/news-628783-grafenovye-shemy-stanut-vechnym-dvigatelem/
https://habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/522206/
https://www.popmech.ru/science/398982-grafen-okazalsya-istochnikom-beskonechnoy-energii-revolyuciya-v-energetike/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Второе_начало_термодинамики
https://elementy.ru/trefil/21219/Vtoroe_nachalo_termodinamiki
https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_смерть_Вселенной
https://ru.wikipedia.org/wiki/Демон_Максвелла
https://elementy.ru/trefil/21166/Demon_Maksvella
https://ru.wikipedia.org/wiki/Вечный_двигатель
https://elementy.ru/posters/perpetuum/second
Видео "Пляж. Ветер. Урна. Пакет." с канала AntoJohnson
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 183 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

Recent Posts from This Journal