Действующий аналог демона Максвелла

Все знают демона Максвелла, который пропускал "горячие" молекулы из одной части сосуда и "холодные" молекулы из другой части. В результате в одной части сосуда газ нагревался, а в другой охлаждался, что нарушало второе начало термодинамики. Но до сих пор не удалось создать действующий аналог этого демона. Японцы создали аналог демона, но только для наночастиц. Для слежения за положением частицы они использовали электронный микроскоп. Это очень сложная конструкция. Но в данной статье будет описан действующий аналог демона Максвелла. Причём этот демон работает с молекулами газа. И к тому же этот аналог очень прост по конструкции и сделать его в современных условиях не составляет большого труда.

Демон Максвелла пропускал молекулы, сортируя их по скорости. Но это достаточно сложная задача. Но упростим задачу для демона. Пусть демон просто пропускает молекулы с одной части сосуда в другую, не обращая внимания на их различия по скорости. С другой части сосуда демон молекулы не пропускает. К дверце подлетает молекула - демон открывает её и пропускает молекулу. Подлетает молекула к дверце с другой стороны - демон её не пропускает. В результате молекулы будут пролетать через перегородку с одной части сосуда в другую. Давление в одной части сосуда уменьшается, а в другой части сосуда повышается. И этот градиент давлений будет постоянно. Соответственно, его можно использовать для производства полезной работы. Для лучшего понимания цитата из "Общего курса физики" Сивухина Д.В.

Поток молекул газа через отверстие в стенке называется эффузионным потоком, если размеры отверстия и толщина стенки малы по сравнению с длиной свободного пробега А.

Допустим теперь, что по разные стороны перегородки находится один и тот же газ, но при разных давлениях и температурах. Если газ находится в состоянии высокого вакуума, то возникнут два эффузионных потока: из А в В и из В в А. Ввиду отсутствия столкновений между молекулами эти два потока совершенно независимы друг от друга. I Тоэтому количество молекул, ежесекундно проходящих через отверстие з из А в В, определится выражением

W =

Ра Рв

Тд

(95.2)

^гД^е Рач Рвч Тач Тв — давления и температуры газа в Л и В. В состоянии равновесия, когда средние числа молекул в А и В остаются неизменными, должно бы ть ^ = 0, т. е.

Ра _ Рв Via

(95.3)

любую поверхность

Допустим, демоны находятся отверстия с

Согласно МКТ газов давление на оказывают удары множества молекул. существуют и есть перегородка, в которой демонами. Пока демоны не работают, то давления на обе стороны перегородки равны.

Демоны заработали. И эти демоны пропускают молекулы с левой стороны перегородки и не пропускают с правой стороны. В результате часть молекул, которые летят слева в сторону перегородки, в неё не ударяются и пролетают на другую сторону. То есть, эти молекулы не оказывают давление на перегородку слева и поэтому давление газа с этой стороны на перегородку становиться меньше. С правой стороны все молекулы, летящие к перегородке, ударяются и отскакивают от неё. То есть, давление с правой стороны не изменяется. А так как давление слева уменьшилось, то на перегородку действует сила давления газа справа.

Допустим, у перегородки слева и справа находятся наблюдатели, которые могут фиксировать количество молекул, летящих к перегородке и от неё. Когда демоны не работают, то количество молекул летящих к перегородке равно количеству молекул, летящих от неё.

Демоны заработали. Часть молекул слева демоны пропускают через перегородку. В результате наблюдатель слева зафиксирует факт, что к перегородке летит молекул больше, чем от неё. Наблюдатель справа зафиксирует, что к перегородке летит молекул меньше, чем от неё. Так как к молекулам, которые ударяются и отскакивают, добавляются пролетевшие слева молекулы.

Что

оба обе

увеличивает количество молекул летящих от перегородки.

Если давления и температуры в обоих частях равны, то эффузионных потока равны. То есть, через перегородку в стороны пролетает равное количество молекул и в результате можно считать, что через перегородку молекулы как бы не пролетают.

Если давление со стороны А повыситься, то больше молекул станет пролетать через перегородку из А в В. Что бы зафиксировали наблюдатели с обоих сторон перегородки? Со стороны А наблюдатель зафиксировал бы, что к перегородке летит молекул больше, чем от неё. Со стороны В наблюдатель зафиксировал бы, что от перегородки летит молекул больше, чем к ней. То есть, результат аналогичный тому, как если бы в перегородке были демоны, пропускающие молекулы из А в В.

Но если перегородка находится в газовой среде, то повысить давление с одной стороны мембраны невозможно. Поэтому, для того, чтобы можно было повысить давление с одной из сторон перегородки, можно поступить следующим образом - cм. рис. 1.

Рис. 1.

1 - сосуд. 2 - стенка, разделяющая сосуд на две части Г и Д. 3 -мембрана с микроскопическими отверстиями. 4 - вакуумный насос.

Это и есть действующий аналог демонов Максвелла. Как он работает?

Мембрана имеет толщину 1 нм и тоньше. Уже есть мембраны толщиной в 1 атом. Размер отверстий также примерно порядка 1 нм. Данный аналог находится в разрежённой газовой среде. Первоначально давление снаружи и внутри обоих частей сосуда равны. Эффузионные потоки через обе мембраны равны, как у Сивухина. То есть, демоны пока как бы не работают.

Включается вакуумный насос 4, который откачивает газ в части Г и создаёт ещё большее разрежение в этой части сосуда, чем снаружи сосуда. При этом больше молекул влетает в часть Г сосуда через верхнюю мембрану, чем вылетает из сосуда наружу. То есть, эффузионный поток молекул снаружи в сосуд больше, чем в обратном направлении. Всё, как у Сивухина. Наблюдатель, находящийся у этой мембраны снаружи зафиксирует, что количество молекул, летящих к мембране, больше, чем летящих от мембраны. Откачанный газ поступает в часть Д сосуда. В результате давление в части Д сосуда становится больше, чем снаружи. Так как давление в части Д сосуда стало больше, то больше молекул вылетает через нижнюю мембрану наружу, чем влетает в него снаружи. Эффузионный поток молекул, как и у Сивухина, больше из части Д сосуда наружу. Наблюдатель снаружи у нижней мембраны зафиксирует, что больше молекул летит от мембраны, чем к ней.

То есть, имеем результат аналогичный тому, как у перегородки, если бы там были работающие демоны. И если бы наблюдатели находились у перегородки с работающими демонами и у сосуда с мембранами, то они бы не смогли отличить, где демоны, а где их аналог. В результате на сосуд снизу будет действовать некоторая сила, аналогичная силе, которая бы действовала на перегородку с демонами. А раз имеется аналог демонов Максвелла, то с его помощью возможно создание вечного двигателя второго рода. Вот пример такого вечного двигателя - cм. рис. 2.

Рис. 2.

1 - сосуд, который может двигаться влево-вправо. 2 - поршень, также играющий роль стенки, разделяющей сосуд на две части Г и Д.

Также поршень играет роль вакуумного насоса. 3 - мембраны. 5 -маховик. Когда сосуд неподвижен, то давления снаружи и внутри равны. на сосуд не действует никакая сила.

Сосуду придали движение влево. В части Г давление понижается и больше молекул влетает через мембрану в часть Г сосуда. В части Д давление повышается и больше молекул вылетает из части Д сосуда наружу. В результате на сосуд действует некоторая сила, созданная аналогом демонов и действующая по направлению движения сосуда. Но на сосуд также действуют силы внешнего давления F, которые противодействуют силе аналога демонов. Но подбором площади мембраны, давления и других параметров можно сделать так, что силы давления будут меньше сила аналога. Поэтому после первоначального толчка такой двигатель будет работать бесконечно долго.

Всё это касается разреженного газа. Но, если размер отверстий в мембране 1 нм, то этот размер также примерно в 70 раз меньше длины свободного пробега молекул. Поэтому этот аналог демонов Максвелла будет работать и при нормальном, атмосферном давлении. Возможно придётся только подобрать количество отверстий на 1 см2 мембраны.