Pada akhir abad ke-19, fisikawan Inggris James Maxwell mengajukan eksperimen pemikiran yang tampaknya melanggar hukum termodinamika. Hasilnya, karakter sentral dari eksperimen ini dinamai iblis Maxwell. Mari kita coba mencari tahu apa yang luar biasa tentang entitas fiksi ini.
Maxwell's Demon adalah entitas hipotetis yang diusulkan oleh James Clerk Maxwell dalam salah satu eksperimen pemikirannya, mungkin pada tahun 1871.
Apa hubungan iblis dan Maxwell dengan itu? Secara umum, esensi yang dikemukakan oleh Maxwell adalah sejenis dewa yang kontradiktif dari mesin, bisa dikatakan, setelah menemukan cara untuk menghindari salah satu hukum paling mendasar dan tak terbantahkan dari Semesta - hukum kedua termodinamika. Awalnya, rekan ilmuwan tersebut tidak menganggap serius eksperimen pemikiran dan malah bingung, karena "esensi" ini bisa berarti bahwa pada akhirnya Anda bisa melupakan pemborosan batu bara dan hanya mendapatkan pekerjaan tanpa henti, pada kenyataannya, dari nol.
Dan sekarang kita akan mencoba mencari tahu mengapa setan Maxwell menyebabkan kebingungan di antara tokoh-tokoh sains di akhir abad ke-19.
Setan Maxwell - celah dalam entropi
Eksperimen pemikiran Maxwell awalnya disebutkan dalam korespondensi ilmuwan dengan Peter Tate sekitar tahun 1867. Ia kemudian diperkenalkan kepada publik dalam buku Maxwell tentang termodinamika berjudul Theory of Heat, yang diterbitkan pada tahun 1872.
James Clerk Maxwell / Universitas Gresham.
Video promosi:
Terlepas dari kenyataan bahwa Maxwell sendiri tidak pernah menggunakan kata "setan" saat mendeskripsikan eksperimen tersebut, agennya membuka pintu (di partisi di kotak gas kami) di antara ruang-ruang sebagai "makhluk terbatas". Entitas ini pertama kali dinamai "setan" oleh William Thomson, yang dikenal sebagai Lord Kelvin, untuk menggambarkan Agen Maxwell di Alam pada tahun 1874. Sebagai pembenaran, dia berpendapat bahwa dia ingin menunjuk sifat mediasi dari esensi dengan cara ini dan tidak akan menekankan konotasi negatif dari kata itu sendiri.
Jadi kembali ke percobaan. Ini pada dasarnya adalah sistem tertutup. Peralatan yang diusulkan terdiri dari kubus sederhana, yang berisi beberapa gas sembarangan. Kubus dibagi menjadi dua bagian dengan ukuran yang sama dengan suhu seragam yang sama. Di dinding yang membagi bagian tersebut, setan duduk, dengan hati-hati mengambil partikel yang tersebar secara acak sehingga semua partikel dengan energi kinetik tinggi dikumpulkan di satu bagian, sedangkan sisanya - dengan energi kinetik rendah - tetap berada di bagian lain.
Kita dapat mengatakan bahwa iblis ini adalah metafora untuk perangkat atau mesin yang mampu menganalisis kecepatan atau energi kinetik setiap partikel dengan cermat dalam wadah apa pun. Berdasarkan analisisnya, adaptasi dapat menentukan dengan tepat partikel mana yang harus disimpan untuk dirinya sendiri, dan mana yang harus dibuang.
Kiri: dua bagian terisi gas. Kanan: Iblis Maxwell membuka dan menutup pintu di partisi antara bagian / J. Hirshfield.
Sementara itu, ini bertentangan dengan pendapat umum bahwa partikel gas pada suhu konstan bergerak dengan kecepatan yang sama. Namun demikian, kecepatan yang sama ini adalah kecepatan rata-rata mereka, yang berarti ada partikel yang bergerak dengan kecepatan lebih tinggi, dan ada partikel yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah, sehingga mereduksi semuanya menjadi nilai rata-rata.
Melalui proses ini - tindakan iblis Maxwell - semua partikel berenergi tinggi kemudian didorong ke dalam satu bagian. Setan itu menaikkan suhu satu bagian kotak dibandingkan dengan bagian lainnya. Temperatur atau tekanan berlebih ini dapat digunakan untuk menggerakkan turbin atau piston. Ya, itu berarti kita mendapatkan energi dari ketiadaan secara harfiah. Dengan kata lain, iblis telah mengurangi entropi tanpa mengeluarkan tenaga.
Perlu dipahami, bagaimanapun, bahwa iblis yang licik menggunakan tipuannya dan sebagai hasilnya dapat bertentangan dengan hukum entropi, tetapi dia tidak melanggar hukum kekekalan energi. Dia hanya mendistribusikan kembali energi kinetik acak untuk menciptakan perbedaan tekanan yang cukup untuk menarik energi dari sistem yang awalnya seimbang. Sifat licik iblis itu menipu dirinya sendiri!
Bisakah alat seperti itu ada?
Bagaimanapun, alat seperti itu tidak dapat diciptakan dalam kenyataan. Alam tidak mudah tertipu. Tentu saja, iblis yang licik dan pandai dapat menghindari sanksi yang menindas dari hukum kedua termodinamika, tetapi dia tidak dapat melepaskan diri dari pandangan semua mata dari hukum pertama termodinamika.
Menurut hukum pertama termodinamika, tidak ada mesin yang dapat berfungsi tanpa sumber panas, dan dalam proses kerjanya, mesin juga dapat menyerapnya sebagian. Atau, kinerja proses tidak akan pernah mencapai 100 persen. Mesin tidak hanya membutuhkan rangsangan dalam bentuk panas, tetapi juga perlu menyerapnya, sehingga meningkatkan suhunya sendiri.
Konversi energi termal menjadi energi mekanik pada mesin uap tidak mutlak. Sebagian panas diserap oleh mesin itu sendiri, mengurangi kinerja keseluruhan dan meningkatkan entropi yang mengelilinginya.
Jika iblis adalah mesin berteknologi tinggi yang secara selektif melacak partikel tertentu, muncul pertanyaan: dari mana ia mendapatkan energi untuk melakukan tugasnya? Bahkan jika dia entah bagaimana berhasil melakukan ini, ekspansi terkait dengan kinerja termal mesin masih menyangkal kemungkinan penurunan entropi.
Transisi sistem tertutup dari entropi rendah ke tinggi / Sokrates.
Setan atau mesin harus mendapatkan informasi tentang partikel. Ambil foton, misalnya. Dalam proses berinteraksi dengan mereka, peralatan kompleks seperti iblis Maxwell pasti akan menghabiskan energi dan menyerap sebagian panas itu sendiri, meningkatkan total entropi dan membawanya kembali ke nilai aslinya.
Inti dari argumennya adalah bahwa, menurut perhitungan, iblis mana pun pasti akan "menghasilkan" lebih banyak entropi dengan memisahkan molekul daripada yang dapat ia "hancurkan" - ini konsisten dengan prinsip-prinsip yang menjadi dasarnya. Dengan kata lain, dibutuhkan lebih banyak pekerjaan termodinamika untuk menentukan kecepatan molekul dan memilihnya untuk melewati pintu antar bagian daripada jumlah energi yang diperoleh dari perbedaan suhu yang muncul setelah pekerjaan selesai.
Bagaimanapun, perlu dicatat bahwa Maxwell sangat licik. Namun, jika bukan karena hukum pertama termodinamika, tidak ada yang bisa menyelamatkan hukum kedua dari rasa malu publik.
Vladimir Guillen
