Curiosidades

O que é o demônio de Maxwell?

O demônio de Maxwell é uma entidade hipotética que o físico James Clerk Maxwell conjurou em uma de suas experiências de pensamento por volta de 1871. O experimento de pensamento consistia em um aparelho que extraia o trabalho de um sistema isolado, apesar de existir em um equilíbrio, a uma única temperatura uniforme.Basicamente, a entidade nocional de Maxwell é uma espécie de deus ex machina que contradiz ou desenvolveu habilmente o que é a lei mais fundamental e indiscutível do universo: a 2 ª lei da termodinâmica. Naturalmente, a noção de extrair trabalho ou energia de aparentemente  nada confundiu seus colegas – certamente isso poderia significar o fim de alimentar incansavelmente o carvão para uma máquina de vapor voraz? Um almoço grátis!

Não é tão fundamental agora?

Bem, na verdade não. Para entender como funciona, devemos primeiro entender o que a lei implica e por que descobrir uma lacuna acenou uma revolta.

Sistemas isolados e a segunda lei da termodinâmica

A termodinâmica é o ramo da física que lida com o comportamento do calor e da energia. A termodinâmica descreve um sistema isolado como uma região do espaço ou uma região que confina um aparelho que não tem absolutamente nenhum contato com o mundo externo ou processos. Enquanto os sistemas abertos ou não isolados são regiões que confinam objetos que podem se comunicar com processos externos.

Limite do sistema

(Crédito da foto: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

A lei regula a direção do fluxo de calor entre dois objetos ou regiões que são incongruentes em termos de temperatura. Ele afirma que dois corpos de temperaturas diferentes, quando familiarizados uns com os outros e isolados do seu entorno , evoluirão para um equilíbrio termodinâmico em que ambos os corpos tenham aproximadamente a mesma temperatura. Para que isso aconteça, pode-se deduzir logicamente que o calor deve fluir do objeto de maior temperatura para o objeto de temperatura mais baixa.

No entanto, o calor pode fluir na direção oposta, desde que seja assistido por outro sistema (sistema não isolado).

Pense nessa troca como a troca de água entre dois baldes. Aqui, a noção de temperatura pode ser representada pela quantidade de água que contém um balde. Um objeto de maior temperatura é então ilustrado por um balde com mais água enquanto um objeto de temperatura mais baixa por um balde com menos água.

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Se os baldes estiverem juntas com um tubo estreito, como mostrado na figura abaixo, você observará que a água fluirá do balde contendo mais água na água adjacente até a água atingir a abertura. Agora, nenhuma água continuará a fluir, isso marca o início do equilíbrio. Observe que esta configuração representa um sistema isolado.

Agora, a água também pode fluir na outra direção: do balde empobrecido para o cheio, mas só pode ser conseguido fazendo o trabalho no primeiro: ou inclinando-o até um grau tal que a água flua através do túnel estreito ou preenchendo o excesso de água de um terceiro balde, em ambos os casos envolvendo ajuda externa. Esta configuração representa um sistema não isolado.

Isto é evidente em geladeiras ou condicionadores de ar onde uma brisa fresca é obtida em detrimento do calor de outro sistema – o condensador.

A lei também pode ser definida em termos de entropia , uma medida de desordem estatística ou aleatoriedade de um sistema. Em termos de aleatoriedade, em um sistema isolado, a entropia só aumentará.  Por outro lado, em um sistema não isolado, testemunhando um processo reversível, a entropia é uma constante. No entanto, novamente, a constância vem às custas dos arredores – o calor exilado adiciona entropia à entropia como um todo do Universo. O aumento da entropia explica a irreversibilidade dos processos naturais.

Entropia

Assim, extrair energia de um sistema em equilíbrio é impossível, mas como o diabo faz isso?

Maxwell’s Demon – The Loophole

O experimento apareceu pela primeira vez em uma troca de cartas entre Maxwell e Peter Tait por volta de 1867. Mais tarde, foi revelado ao público no livro de Maxwell sobre termodinâmica intitulado Theory of Heat , publicado em 1872.

Embora Maxwell nunca tenha usado a palavra “demônio”, em seu relato dessa experiência, um agente abriria portas entre as câmaras como um “ser finito”. No entanto, foi William Thomson, conhecido como Lord Kelvin, que usou pela primeira vez a palavra ” demonio “para descrever o agente de Maxwell, no jornal  Nature  em 1874. Como justificativa, ele afirmou que pretendia a conotação mediadora, e não a malévola, da palavra.

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O experimento diz respeito a um sistema isolado. O aparelho consiste em um cuboide simples contendo um gás arbitrário. O cuboide é dividido em duas regiões igualmente dimensionadas com uma temperatura igual uniforme. No limite da sua divisão reside o diabo, que filtra meticulosamente as partículas desperdiçadas aleatoriamente de uma maneira que todas as partículas que possuem maiores energias cinéticas acabam agregadas em uma região, enquanto as partículas restantes se movimentam com poucas energias cinéticas na outra região.

O demonio pode assim ser pensado como uma metáfora para um dispositivo ou uma máquina que analise cuidadosamente a velocidade ou a energia cinética de cada partícula dentro do recipiente. Com base em sua análise, pode determinar com precisão as partículas que deve introduzir seletivamente e quais as quais jogar Breakout.

Isso é contrário à convenção de que as partículas de um gás a uma temperatura constante viajam ao redor da mesma velocidade. No entanto, essa mesma velocidade é a velocidade média , o que significa que há partículas que viajam mais rápido do que isso e partículas que viajam mais devagar, negando-se mutuamente a uma média.

Por este processo simples, subseqüentemente todas as partículas com altas energias são encurraladas em uma câmara. O demônio levantou a temperatura de uma câmara em comparação com a outra. Este excesso de temperatura ou pressão pode ser usado para alimentar uma turbina ou empurrar um pistão, sim, sem perceber  nada. Para colocar isso de outra forma, o demônio diminuiu a entropia sem qualquer despesa de trabalho!

Maxwell pensou nessa sensacional idéia depois que ele foi proibido de entrar em um clube, pois ele era um nerd.

É imperativo perceber que o demônio em seus caminhos insidiosos contradizou a lei da entropia, mas ainda não violou a lei da conservação da energia. Ele simplesmente redistribuiu a energia cinética aleatória para gerar uma diferença de pressão, de modo que a energia possa ser colhida a partir de um sistema inicialmente equilibrado! O subterfúgio do demônio enganou a própria natureza.

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partícula estável da câmara demoníaca maxwell

Um aparelho como esse realmente existe?

Eu sei que é estressante, mas simplesmente não pode ser feito. A natureza não é fácil de enganar. Claro, o demônio escrupuloso conseguiu evadir o policial opressivo da 2ª lei, mas ainda não pode escapar do holofote omnipresente acima do 1º .

A primeira lei afirma que nenhuma máquina pode funcionar sem uma fonte de calor e, no processo, absorve alguma. Ou, a eficiência de um processo nunca pode ser 100% por cento. As máquinas que participam não só exigem algum incentivo, mas também são obrigadas a absorver um pouco de calor, aumentando assim sua própria temperatura.

A transformação da energia térmica em energia mecânica em máquinas a vapor não é absoluta; Parte do calor é absorvido pelo próprio motor, reduzindo a eficiência geral e aumentando a entropia circundante.

Às vezes eu sinto que o pai da minha geladeira é muito difícil com ele.

Da mesma forma, se o demônio é uma máquina altamente avançada que busca seletivamente certas partículas, surge a questão de onde é que ela obtém sua energia para fazer o trabalho? E mesmo que isso aconteça, a extensão da eficiência de calor de uma máquina ainda nega a possibilidade de diminuição da entropia.

O demônio ou a máquina teriam que adquirir informações sobre as partículas, por exemplo, digamos a detecção de fótons. No processo de interagir com eles, uma maquinaria complexa, como essa, inevitavelmente gastará energia e absorvera algum calor, aumentando assim a entropia líquida de volta ao valor inicial.

A essência do argumento é que, por cálculo, qualquer demônio deve “gerar” mais entropia segregando as moléculas do que jamais poderia erradicar pelos princípios em que se baseia. Ou seja, levaria mais trabalho termodinâmico para detectar a velocidade das moléculas e permitir seletivamente passar pela abertura entre as câmaras do que a quantidade de energia obtida pela diferença de temperatura causada pelo processo.

Depois de tudo é dito e feito, é preciso apreciar a sorvidez de Maxwell. No entanto, se não fosse pela primeira lei, ninguém poderia salvar a segunda lei de ser chagrined publicamente. Não há almoços gratuitos depois de tudo!

Referências:

  1. O Instituto de Ciências Matemáticas
  2. Universidade Auburn
  3. NASA.gov
  4. Química LibreTexts
  5. HyperPhysics

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