A finales del siglo XIX, el físico británico James Maxwell propuso un experimento mental que aparentemente viola las leyes de la termodinámica. Como resultado, el personaje central de este experimento fue nombrado demonio de Maxwell. Intentemos descubrir qué es lo notable de esta entidad ficticia.
El demonio de Maxwell es una entidad hipotética propuesta por James Clerk Maxwell en uno de sus experimentos mentales, presumiblemente en 1871.
¿Qué tienen que ver el demonio y Maxwell con eso? En general, la esencia propuesta por Maxwell es una especie de dios contradictorio de la máquina, se podría decir, que descubrió una forma de eludir una de las leyes más fundamentales e indiscutibles del Universo: la segunda ley de la termodinámica. Inicialmente, los colegas del científico no se tomaron en serio el experimento mental e incluso estaban confundidos, porque esta "esencia" podría significar que finalmente puedes olvidarte del desperdicio de carbón y simplemente conseguir un trabajo interminablemente, de hecho, de la nada.
Y ahora trataremos de averiguar por qué el demonio de Maxwell causó desconcierto entre las luminarias de la ciencia a fines del siglo XIX.
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El demonio de Maxwell: una laguna en la entropía
El experimento mental de Maxwell se mencionó originalmente en la correspondencia del científico con Peter Tate alrededor de 1867. Más tarde se presentó al público en el libro de Maxwell sobre termodinámica llamado Theory of Heat, publicado en 1872.
James Clerk Maxwell / Gresham College.
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A pesar de que el propio Maxwell nunca usó la palabra "demonio" al describir el experimento, su agente abrió la puerta (en la partición de nuestra caja de gas) entre las cámaras como un "ser limitado". Esta entidad fue nombrada "demonio" por primera vez por William Thomson, conocido como Lord Kelvin, para describir al agente de Maxwell en Nature en 1874. Como justificación, argumentó que quería designar así el carácter mediador de la esencia y en ningún caso iba a enfatizar la connotación negativa de la palabra en sí.
Así que volvamos al experimento. Este es principalmente un sistema cerrado. El aparato propuesto consiste en un cuboide simple, que contiene algo de gas arbitrario. El paralelepípedo se divide en dos secciones de igual tamaño con la misma temperatura uniforme. En la pared que divide la sección, un demonio se sienta, recogiendo con cuidado partículas dispersas al azar para que todas las partículas con alta energía cinética se recojan en una sección, mientras que el resto, con baja energía cinética, permanezca en otra.
Podemos decir que este demonio es una metáfora de un dispositivo o una máquina capaz de analizar cuidadosamente la velocidad o energía cinética de cada partícula en cualquier recipiente. Basándose en su análisis, la adaptación puede determinar exactamente qué partículas debería, en términos generales, conservar para sí y de cuáles deshacerse.
Izquierda: dos secciones llenas de gas. Derecha: el demonio de Maxwell abriendo y cerrando la puerta en la partición entre secciones / J. Hirshfield.
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Mientras tanto, esto contradice la opinión generalmente aceptada de que las partículas de gas a temperatura constante se mueven con la misma velocidad. Sin embargo, esta misma velocidad es su velocidad media, lo que significa que hay partículas que se mueven a mayor velocidad y hay partículas que se mueven a menor velocidad, reduciendo todo a un valor medio.
A través de este proceso, las acciones del demonio Maxwell, todas las partículas de alta energía se conducen posteriormente a una sección. El demonio elevó la temperatura de una parte de la caja en comparación con la otra. Este exceso de temperatura o presión se puede utilizar para alimentar la turbina o el pistón. Sí, se deduce que obtenemos energía literalmente de la nada. En otras palabras, el demonio ha reducido la entropía sin gastar ningún esfuerzo.
Sin embargo, es necesario comprender que el astuto demonio aplicó sus trucos y, como resultado, pudo contradecir la ley de la entropía, pero no violó la ley de conservación de la energía. Simplemente redistribuyó la energía cinética aleatoria para crear un diferencial de presión suficiente para extraer energía de un sistema inicialmente equilibrado. ¡La astucia del demonio engañó a la propia naturaleza!
¿Puede existir tal aparato?
Sea como fuere, tal aparato no puede crearse en la realidad. La naturaleza no se engaña fácilmente. Por supuesto, el demonio astuto e inteligente pudo evitar las sanciones opresivas de la segunda ley de la termodinámica, pero no puede alejarse del ojo que todo lo ve de la primera ley de la termodinámica.
Según la primera ley de la termodinámica, ninguna máquina es capaz de funcionar sin una fuente de calor, y en el proceso de trabajo también puede absorberlo parcialmente. O bien, el rendimiento del proceso nunca alcanzará el 100 por ciento. Las máquinas no solo necesitan el estímulo en forma de calor, también necesitan absorberlo, elevando así su propia temperatura.
La conversión de energía térmica en energía mecánica en las máquinas de vapor no es absoluta. Parte del calor es absorbido por el propio motor, lo que reduce el rendimiento general y aumenta la entropía que lo rodea.
Si el demonio es una máquina de alta tecnología que rastrea selectivamente ciertas partículas, surge la pregunta: ¿de dónde obtiene energía para hacer su trabajo? Incluso si de alguna manera logra hacer esto, la expansión en relación con el rendimiento térmico de la máquina todavía niega la posibilidad de una disminución en la entropía.
La transición de un sistema cerrado de entropía baja a alta / socrático.
Un demonio o una máquina tendría que obtener información sobre las partículas. Tomemos los fotones, por ejemplo. En el proceso de interactuar con ellos, un aparato complejo como el demonio de Maxwell inevitablemente gastará energía y absorberá parte del calor en sí, aumentando la entropía total y devolviéndola a su valor original.
El punto del argumento es que, según los cálculos, cualquier demonio inevitablemente "generará" más entropía separando moléculas de lo que jamás podrá "destruirlas"; esto es coherente con los principios en los que se basa. En otras palabras, se necesitaría mucho más trabajo termodinámico para determinar la velocidad de las moléculas y seleccionarlas para que pasen por la puerta entre secciones que la cantidad de energía obtenida de la diferencia de temperatura que surgió después del trabajo realizado.
Sea como fuere, cabe señalar que Maxwell fue muy astuto. Sin embargo, si no fuera por la primera ley de la termodinámica, nada habría salvado la segunda ley de la vergüenza pública.
Vladimir Guillén
