Номер 5, страница 177 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.10. Статистическое истолкование необратимости процессов в природе - номер 5, страница 177.

Условие.

5. Зачем Дж. Максвелл придумал «демона»?

Решение.

Джеймс Клерк Максвелл в 1867 году предложил мысленный эксперимент, известный как «демон Максвелла», с главной целью продемонстрировать статистическую природу второго начала термодинамики. Он хотел показать, что это не абсолютный, а вероятностный закон, который выполняется для макроскопических систем, но может быть гипотетически нарушен на микроуровне.

Суть эксперимента следующая:

1. Имеется изолированный сосуд с газом, находящимся в состоянии теплового равновесия. Сосуд разделен перегородкой на две части, А и В.

2. В перегородке есть небольшое отверстие с дверцей, которую контролирует гипотетическое разумное существо микроскопического размера — «демон».

3. Демон способен видеть отдельные молекулы и измерять их скорость. Он без затрат энергии открывает и закрывает дверцу, сортируя молекулы: он пропускает быстрые молекулы из части А в часть В, а медленные — из части В в часть А.

В результате такой деятельности средняя кинетическая энергия молекул в части В увеличится, а в части А — уменьшится. Это означает, что часть В нагреется, а часть А охладится. Таким образом, в изначально однородной по температуре системе возникнет разность температур, которую можно использовать для совершения работы. Это привело бы к уменьшению энтропии ($\text{S}$) изолированной системы, что является прямым нарушением второго начала термодинамики, которое утверждает, что энтропия в таких системах не может убывать ($ΔS \ge 0$).

Максвелл не ставил целью опровергнуть второй закон. Он хотел подчеркнуть, что этот закон основан на нашем неведении о микроскопическом состоянии системы. Мы работаем со средними значениями для огромного числа частиц, и для нас такой процесс самопроизвольного разделения на горячую и холодную части невозможен. Демон же, обладая полной информацией о каждой частице, мог бы обойти это статистическое ограничение.

Парадокс был полностью разрешен в XX веке. Было показано, что сам демон должен быть частью термодинамической системы. Для выполнения своей работы ему необходимо получать и обрабатывать информацию о скоростях молекул. Согласно принципу Ландауэра, процесс стирания информации из памяти демона (чтобы освободить место для новых измерений) неизбежно ведет к выделению теплоты и увеличению энтропии в окружающей среде. Это увеличение энтропии всегда оказывается больше или равно уменьшению энтропии газа, поэтому суммарная энтропия системы «газ + демон» не уменьшается, и второе начало термодинамики остается в силе.

Ответ: Дж. Максвелл придумал «демона» в рамках мысленного эксперимента, чтобы исследовать природу второго начала термодинамики и показать, что оно носит не абсолютный, а статистический характер. Эксперимент демонстрировал, что гипотетическое существо, способное отслеживать и манипулировать отдельными молекулами, могло бы создать процесс, который на первый взгляд нарушает этот закон (уменьшает энтропию), тем самым подчеркивая связь между термодинамикой и информацией.