O que é o demônio de Maxwell?

Anonim

O demônio de Maxwell é uma entidade hipotética que o físico James Clerk Maxwell conjurou em um de seus experimentos mentais por volta de 1871. O experimento mental consistia em um aparelho que extrairia o trabalho de um sistema isolado, apesar de existir em equilíbrio, em uma única temperatura uniforme.

Basicamente, a entidade fictícia de Maxwell é uma espécie de deus ex machina que contradiz ou inteligentemente concebeu uma maneira de contornar a lei mais fundamental e indiscutível do universo: a segunda lei da termodinâmica. Naturalmente, a noção de extrair trabalho ou energia de aparentemente nada desconcertou seus colegas - certamente isso poderia significar o fim do fornecimento incansável de carvão a uma máquina a vapor voraz? Um almoço grátis!

Não é tão fundamental agora é isso?

Bem, na verdade não. Para entender como isso funciona, devemos primeiro entender o que a lei implica e por que descobrir uma lacuna acena um motim.

Sistemas Isolados e a Segunda Lei da Termodinâmica

(Crédito da foto: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

A lei rege a direção do fluxo de calor entre dois objetos ou regiões que são incongruentes em termos de temperatura. Afirma que dois corpos de temperaturas diferentes, quando se familiarizam entre si e isolados de seu entorno, evoluirão para um equilíbrio termodinâmico no qual ambos os corpos têm aproximadamente a mesma temperatura. Para que isso aconteça, pode-se deduzir logicamente que o calor deve fluir do objeto de temperatura mais alta para o objeto de temperatura mais baixa.

No entanto, o calor pode fluir na direção oposta, desde que seja auxiliado por outro sistema (sistema não isolado).

Pense nessa troca como a troca de água entre dois baldes. Aqui, a noção de temperatura pode ser representada pela quantidade de água que um balde contém. Um objeto de temperatura mais alta é então ilustrado por um balde com mais água enquanto um objeto de temperatura mais baixa por um balde com menos água.

Se os baldes agora estiverem unidos com um tubo estreito, como mostrado na figura abaixo, você observará que a água fluirá do balde contendo mais água para a água adjacente até que a água entre com a abertura. Agora, nenhuma água continuará a fluir, isso marca o início do equilíbrio. Observe que essa configuração representa um sistema isolado.

Agora, a água também pode fluir na outra direção: do balde empobrecido para o cheio, mas só pode ser alcançado fazendo-se o trabalho no primeiro: ou inclinando-o para um grau tal que a água flua através do estreito túnel ou enchendo-o com excesso de água de um terceiro balde, em ambos os casos envolvendo ajuda externa. Essa configuração representa um sistema não isolado.

Isto é evidente em refrigeradores ou condicionadores de ar, onde uma brisa fresca é obtida à custa do calor de outro sistema - o condensador.

A lei também pode ser definida em termos de entropia, uma medida de desordem estatística ou aleatoriedade de um sistema. Em termos de aleatoriedade, em um sistema isolado, a entropia só aumentará. Por outro lado, em um sistema não isolado, testemunhando um processo reversível, a entropia é uma constante. No entanto, mais uma vez, a constância vem às custas do ambiente - o calor exilado adiciona entropia à entropia como um todo do Universo. O aumento da entropia explica a irreversibilidade dos processos naturais.

Assim, extrair energia de um sistema em equilíbrio é impossível, mas como o diabo faz isso?

Demônio de Maxwell - a brecha

Isso contraria a convenção de que as partículas de um gás a uma temperatura constante percorrem a mesma velocidade. No entanto, essa mesma velocidade é a velocidade média, o que significa que há partículas que viajam mais rápido do que isso e partículas que viajam mais lentamente, negando uma à outra em média.

Por este processo simples, subsequentemente todas as partículas com altas energias são encurraladas em uma câmara. O demônio aumentou a temperatura de uma câmara em comparação à outra. Esse excesso de temperatura ou pressão pode ser usado para alimentar uma turbina ou empurrar um pistão, sim, sem perceptivelmente nada. Para colocar isso de outra maneira, o demônio diminuiu a entropia sem qualquer gasto de trabalho!

Maxwell pensou nessa ideia sensacional depois de ter sido proibido de entrar em um clube, pois era um nerd.

É imperativo perceber que o demônio, em seus meios insidiosos, contrariou a lei da entropia, mas ainda não violou a lei da conservação da energia. Ele apenas redistribuiu a energia cinética aleatória para gerar uma diferença de pressão, de tal forma que a energia pode ser coletada de um sistema inicialmente equilibrado! O subterfúgio do demônio enganou a própria natureza.

Pode um aparelho como este realmente existir?

Às vezes sinto que o pai da minha geladeira é muito duro com ele.

Da mesma forma, se o demônio é uma máquina altamente avançada que busca seletivamente certas partículas, surge a questão de onde ele obtém sua energia para fazer o trabalho? E mesmo que isso aconteça, a extensão relativa à eficiência de calor de uma máquina ainda nega a possibilidade de entropia diminuída.

O demônio ou a máquina teriam que adquirir informações sobre as partículas, por exemplo, digamos, detectando fótons. No processo de interagir com eles, um maquinário complexo como este inevitavelmente gastará energia e absorverá algum calor, aumentando assim a entropia líquida de volta ao valor inicial.

A essência do argumento é que, por cálculo, qualquer demônio deve "gerar" mais entropia segregando as moléculas do que poderia erradicar pelos princípios nos quais ela se baseia. Ou seja, seria necessário mais trabalho termodinâmico para detectar a velocidade das moléculas e permitir que elas passassem seletivamente através da abertura entre as câmaras do que a quantidade de energia obtida pela diferença de temperatura causada pelo processo.

Depois de tudo dito e feito, deve-se apreciar a falsidade de Maxwell. No entanto, se não fosse pela primeira lei, ninguém poderia salvar a segunda lei de se envergonhar publicamente. Não há almoços grátis depois de tudo!