No final do século 19, o físico britânico James Maxwell propôs um experimento mental que aparentemente viola as leis da termodinâmica. Como resultado, o personagem central desse experimento foi chamado de demônio de Maxwell. Vamos tentar descobrir o que há de notável nessa entidade fictícia.
O Demônio de Maxwell é uma entidade hipotética proposta por James Clerk Maxwell em um de seus experimentos mentais, presumivelmente em 1871.
O que o demônio e Maxwell tem a ver com isso? Em geral, a essência proposta por Maxwell é uma espécie de deus contraditório da máquina, pode-se dizer, que descobriu uma forma de contornar uma das leis mais fundamentais e indiscutíveis do Universo - a segunda lei da termodinâmica. Inicialmente, os colegas do cientista não levaram o experimento mental a sério e ficaram até confusos, porque essa “essência” pode significar que você pode finalmente esquecer o desperdício de carvão e simplesmente conseguir um emprego indefinidamente, na verdade, do nada.
E agora vamos tentar descobrir por que o demônio de Maxwell causou confusão entre os luminares da ciência no final do século XIX.
O demônio de Maxwell - uma brecha na entropia
O experimento mental de Maxwell foi originalmente mencionado na correspondência do cientista com Peter Tate por volta de 1867. Posteriormente, foi apresentado ao público no livro de Maxwell sobre termodinâmica chamado Teoria do Calor, publicado em 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
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Apesar do próprio Maxwell nunca ter usado a palavra "demônio" ao descrever o experimento, seu agente abriu a porta (na partição de nossa caixa de gás) entre as câmaras como um "ser limitado". Esta entidade foi nomeada "demônio" pela primeira vez por William Thomson, conhecido como Lord Kelvin, para descrever o Agente Maxwell na Nature em 1874. Como justificativa, ele argumentou que queria designar a natureza mediadora da essência dessa maneira e em nenhum caso iria enfatizar a conotação negativa da própria palavra.
Então, de volta ao experimento. Este é principalmente um sistema fechado. O aparelho proposto consiste em um cuboide simples, que contém algum gás arbitrário. O cubóide é dividido em duas seções de igual tamanho com a mesma temperatura uniforme. Na parede que divide a seção, um demônio senta-se, escolhendo cuidadosamente as partículas espalhadas aleatoriamente para que todas as partículas com alta energia cinética sejam coletadas em uma seção, enquanto o resto - com baixa energia cinética - permaneça em outra.
Podemos dizer que esse demônio é uma metáfora para um dispositivo ou máquina capaz de analisar cuidadosamente a velocidade ou energia cinética de cada partícula em qualquer recipiente. Com base em sua análise, a adaptação pode determinar exatamente quais partículas ela deve, grosso modo, manter para si mesma e quais - se livrar.
Esquerda: duas seções cheias de gás. À direita: o demônio de Maxwell abrindo e fechando a porta na partição entre as seções / J. Hirshfield.
Enquanto isso, isso contradiz a opinião geralmente aceita de que as partículas de gás em uma temperatura constante se movem com a mesma velocidade. No entanto, essa mesma velocidade é sua velocidade média, o que significa que há partículas se movendo em uma velocidade maior, e há partículas se movendo em uma velocidade menor, reduzindo tudo a um valor médio.
Por meio desse processo - as ações do demônio Maxwell - todas as partículas de alta energia são posteriormente conduzidas para uma seção. O demônio aumentou a temperatura de uma parte da caixa em comparação com a outra. Esse excesso de temperatura ou pressão pode ser usado para alimentar a turbina ou o pistão. Sim, segue-se que obtemos energia literalmente do nada. Em outras palavras, o demônio reduziu a entropia sem gastar nenhum esforço.
É preciso entender, porém, que o demônio astuto usou seus truques e como resultado foi capaz de contradizer a lei da entropia, mas não violou a lei da conservação de energia. Ele simplesmente redistribuiu a energia cinética aleatória para criar um diferencial de pressão suficiente para extrair energia de um sistema inicialmente equilibrado. A astúcia do demônio enganou a própria natureza!
Esse aparelho pode existir?
Seja como for, tal aparelho não pode ser criado na realidade. A natureza não se engana facilmente. Claro, o demônio astuto e astuto foi capaz de evitar as sanções opressivas da segunda lei da termodinâmica, mas ele não pode escapar do olho que tudo vê da primeira lei da termodinâmica.
De acordo com a primeira lei da termodinâmica, nenhuma máquina é capaz de funcionar sem uma fonte de calor e, no processo de trabalho, também pode absorvê-lo parcialmente. Ou o desempenho do processo nunca chegará a 100 por cento. As máquinas não precisam apenas do estímulo na forma de calor, mas também precisam absorvê-lo, aumentando assim sua própria temperatura.
A conversão de energia térmica em energia mecânica nas máquinas a vapor não é absoluta. Parte do calor é absorvido pelo próprio motor, reduzindo o desempenho geral e aumentando a entropia que o cerca.
Se o demônio é uma máquina de alta tecnologia que rastreia seletivamente certas partículas, surge a pergunta: de onde ele obtém energia para fazer seu trabalho? Mesmo que ele consiga fazer isso de alguma forma, a expansão em relação ao desempenho térmico da máquina ainda nega a possibilidade de uma diminuição da entropia.
A transição de um sistema fechado de baixa entropia para alta / socrática.
Um demônio ou máquina teria que obter informações sobre as partículas. Veja os fótons, por exemplo. No processo de interagir com eles, um aparato complexo como o demônio de Maxwell inevitavelmente gastará energia e absorverá parte do próprio calor, aumentando a entropia total e trazendo-a de volta ao seu valor original.
O ponto do argumento é que, de acordo com os cálculos, qualquer demônio irá inevitavelmente "gerar" mais entropia separando as moléculas do que ele pode "destruí-la" - isso é consistente com os princípios nos quais ele se baseia. Em outras palavras, seria necessário muito mais trabalho termodinâmico para determinar a velocidade das moléculas e selecioná-las para passar pela porta entre as seções do que a quantidade de energia ganha com a diferença de temperatura que surgiu após o trabalho realizado.
Seja como for, deve-se notar que Maxwell era muito astuto. No entanto, se não fosse pela primeira lei da termodinâmica, nada teria salvado a segunda lei da vergonha pública.
Vladimir Guillen
