À la fin du 19e siècle, le physicien britannique James Maxwell a proposé une expérience de pensée qui semble violer les lois de la thermodynamique. En conséquence, le personnage central de cette expérience a été nommé le démon de Maxwell. Essayons de comprendre ce qui est remarquable à propos de cette entité fictive.
Le démon de Maxwell est une entité hypothétique proposée par James Clerk Maxwell dans l'une de ses expériences de pensée, vraisemblablement en 1871.
Qu'est-ce que le démon et Maxwell ont à voir avec ça? En général, l'essence proposée par Maxwell est une sorte de dieu contradictoire de la machine, pourrait-on dire, qui a découvert un moyen de contourner l'une des lois les plus fondamentales et incontestables de l'Univers - la deuxième loi de la thermodynamique. Au départ, les collègues du scientifique ne prenaient pas l'expérience de pensée au sérieux et étaient même confus, car cette «essence» pourrait signifier que vous pouvez enfin oublier de gaspiller du charbon et simplement obtenir un travail sans fin, en fait, à partir de rien.
Et maintenant, nous allons essayer de comprendre pourquoi le démon de Maxwell a causé la confusion parmi les sommités de la science à la fin du 19ème siècle.
Le démon de Maxwell - une faille dans l'entropie
L'expérience de pensée de Maxwell a été mentionnée à l'origine dans la correspondance du scientifique avec Peter Tate vers 1867. Il a ensuite été présenté au public dans le livre de Maxwell sur la thermodynamique intitulé Theory of Heat, publié en 1872.
James Clerk Maxwell / Collège Gresham.
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Malgré le fait que Maxwell lui-même n'ait jamais utilisé le mot «démon» pour décrire l'expérience, son agent a ouvert la porte (dans la cloison de notre boîte à gaz) entre les chambres comme un «être limité». Cette entité a d'abord été nommée «démon» par William Thomson, connu sous le nom de Lord Kelvin, pour décrire l'agent Maxwell dans Nature en 1874. À titre de justification, il a soutenu qu'il voulait désigner ainsi la nature médiatrice de l'essence et n'allait en aucun cas souligner la connotation négative du mot lui-même.
Revenons donc à l'expérience. C'est avant tout un système fermé. L'appareil proposé consiste en un simple cuboïde, qui contient du gaz arbitraire. Le cuboïde est divisé en deux sections de taille égale avec la même température uniforme. Sur le mur divisant la section, un démon est assis, sélectionnant soigneusement les particules dispersées au hasard afin que toutes les particules à haute énergie cinétique soient collectées dans une section, tandis que le reste - à faible énergie cinétique - reste dans une autre.
On peut dire que ce démon est une métaphore pour un appareil ou une machine capable d'analyser soigneusement la vitesse ou l'énergie cinétique de chaque particule dans n'importe quel conteneur. Sur la base de son analyse, l'adaptation peut déterminer exactement quelles particules elle devrait, grosso modo, garder pour elle-même et lesquelles - se débarrasser.
À gauche: deux sections remplies de gaz. À droite: le démon de Maxwell ouvrant et fermant la porte dans la cloison entre les sections / J. Hirshfield.
Pendant ce temps, cela contredit l'opinion généralement acceptée selon laquelle les particules de gaz à une température constante se déplacent à la même vitesse. Néanmoins, cette même vitesse est leur vitesse moyenne, ce qui signifie qu'il y a des particules se déplaçant à une vitesse plus élevée, et il y a des particules se déplaçant à une vitesse inférieure, réduisant tout à une valeur moyenne.
Grâce à ce processus - les actions du démon Maxwell - toutes les particules de haute énergie sont ensuite conduites dans une section. Le démon a élevé la température d'une partie de la boîte par rapport à l'autre. Cette surchauffe ou cette surpression peut être utilisée pour alimenter la turbine ou le piston. Oui, il s'ensuit que nous tirons de l'énergie littéralement de rien. En d'autres termes, le démon a réduit l'entropie sans dépenser aucun effort.
Il faut cependant comprendre que le démon rusé a appliqué ses astuces et, par conséquent, a pu contredire la loi de l'entropie, mais il n'a pas violé la loi de conservation de l'énergie. Il a simplement redistribué une énergie cinétique aléatoire pour créer un différentiel de pression suffisant pour tirer de l'énergie d'un système initialement équilibré. La ruse du démon a trompé la nature elle-même!
Un tel appareil peut-il exister?
Quoi qu'il en soit, un tel appareil ne peut pas être créé dans la réalité. La nature ne se trompe pas facilement. Bien sûr, le démon rusé et intelligent a pu éviter les sanctions oppressives de la deuxième loi de la thermodynamique, mais il ne peut pas échapper à l'œil qui voit tout de la première loi de la thermodynamique.
Selon la première loi de la thermodynamique, aucune machine n'est capable de fonctionner sans source de chaleur, et en cours de travail elle peut également l'absorber partiellement. Ou bien, les performances du processus n'atteindront jamais 100%. Non seulement les machines ont besoin du stimulus sous forme de chaleur, mais elles doivent également l'absorber, augmentant ainsi leur propre température.
La conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique dans les machines à vapeur n'est pas absolue. Une partie de la chaleur est absorbée par le moteur lui-même, ce qui réduit les performances globales et augmente l'entropie qui l'entoure.
Si le démon est une machine de haute technologie qui suit sélectivement certaines particules, la question se pose: d'où vient-il l'énergie pour faire son travail? Même s'il parvient d'une manière ou d'une autre à le faire, la dilatation par rapport aux performances thermiques de la machine nie toujours la possibilité d'une diminution de l'entropie.
La transition d'un système fermé d'une faible entropie à une haute / socratique.
Un démon ou une machine devrait obtenir des informations sur les particules. Prenons par exemple les photons. Dans le processus d'interaction avec eux, un appareil complexe comme le démon de Maxwell dépensera inévitablement de l'énergie et absorbera une partie de la chaleur elle-même, augmentant l'entropie totale et la ramenant à sa valeur d'origine.
Le point de l'argument est que, selon les calculs, tout démon "générera" inévitablement plus d'entropie en séparant les molécules qu'il ne pourra jamais les "détruire" - ceci est conforme aux principes sur lesquels il est basé. En d'autres termes, il faudrait beaucoup plus de travail thermodynamique pour déterminer la vitesse des molécules et les sélectionner pour passer à travers la porte entre les sections que la quantité d'énergie tirée de la différence de température qui s'est produite après le travail effectué.
Quoi qu'il en soit, il convient de noter que Maxwell était très rusé. Cependant, sans la première loi de la thermodynamique, rien n'aurait sauvé la deuxième loi de la honte publique.
Vladimir Guillen