Maxwell-féle "homokdémon"?

Német kutatók egy olyan kísérletről számoltak be, amely látszólag megvalósítani látszik az úgynevezett Maxwell-démont, amely a második főtétel értelmében nem létezhet.

Maxwell.A termodinamika második főtételének számos megfogalmazása van. Az úgynevezett másodfajú örökmozgó (perpetuum mobile) lehetetlenségét kimondó törvény szerint egy zárt rendszerben nem fordulhat elő, hogy a hő spontán módon, azaz önmagától, külső munkavégzés nélkül, a hidegebb helyről a melegebb irányába terjedjen (például hogy a forró tűzhelyre tett fazékban a víz lehűljön, s tőle a tűzhely még jobban felmelegedjen). Egy másik megfogalmazás szerint zárt rendszerben a spontán folyamatok csak olyan irányban mehetnek végbe, amelyben a rendszer rendezetlensége egyre nő. Német kutatók most egy olyan kísérletről számoltak be, amely látszólag ellentmond ennek a tételnek, és megvalósítani látszik az úgynevezett Maxwell-démont, amely a második főtétel értelmében szintén nem létezhet.

A fürge kis démon James Clerk Maxwell egy nevezetes gondolatkísérletében szerepel. (A nagy angol tudós, aki az elektromos és mágneses kölcsönhatások egységes térelméletét megalkotta, a statisztikus mechanika kidolgozásának is egyik úttörője volt.) A szóban forgó gondolatkísérletben egy hőszigetelt tartályt hőszigetelő fal oszt két egyenlő részre: a falon egy olyan parányi elhúzható ablak van, amelyen egy-egy gázmolekula éppen átfér. Kezdetben a tartály mindkét felében egyenlő hőmérsékletű gáz van. Most képzeljünk el egy pici démont, amely az ablakot úgy csukja vagy nyitja, hogy az egyik irányba csak a forróbb (gyorsabb) molekulákat, a másikba pedig csak a hidegebb (lassúbb) molekulákat engedi át. Így a külső megfigyelő (aki egyébként a parányi démont persze nem látja) előbb-utóbb azt tapasztalná, hogy a kezdetben azonos hőmérsékletű gáz egy hidegebb és egy melegebb gázra válik szét a tartály két oldalán. A termodinamika második főtétele szerint ez nem történhet meg: ezért a Maxwell-démon (vagy egy neki megfelelően működő ötletes kis szerkezet) sem létezhet. (A gondolatkísérletben egyébként az a turpisság, hogy figyelmen kívül hagyja a démon "működéséhez" szükséges energiát.)

Az Esseni Egyetem kutatói most az alábbi kísérletről számoltak be: egy homokkal részben megtöltött tartályt két egyforma kamrára osztottak egy olyan fallal, amelyen egy parányi lyuk volt, majd a tartályt fel-le rázogatták. Bizonyos ütemű rázogatás hatására egy idő után az egyik kamrában a "forró", gyorsan mozgó homokszemcsék, míg a másikban a "hideg", lassúbb szemcsék gyűltek össze. Ez úgy ment végbe, hogy a homokszemcsék valamelyik kamrában elkezdtek "lecsapódni" (ami véletlenszerűen, spontán szimmetriasértéssel is megtörténhet), majd egyre több és több szemcse kapcsolódott be egy rendezettebb állapot kialakításában. Ezek a kamra alján gyűltek össze, itt a szemcsék összesűrűsödtek, gyakoribbá váltak köztük az ütközések, emiatt mozgási energiájuk egyre inkább kiegyenlítődött, vagyis "lehűltek". Mindeközben az ebben részt nem vevő szemcsék a másik kamrában még "gázszerű" formában, magasabb hőmérsékleten maradtak. Tehát mégiscsak létezhet a Maxwell-démon?



(A) Az erőteljesen fel-le rázogatott tartály két kamrájában a homokszemcsék eloszlása többnyire egyforma marad. A rázás ütemét csökkentve azonban bekövezkezhet egy olyan állapot (B), amelyben a homokszemcsék az egyik kamrában lecsapódnak, míg a másikban "forró", gázszerű állapotban maradnak

Jens Eggers, a kutatócsoport vezetője szerint erről szó sincs. Igaz, az eredmény először őket is meglepte, ám hamar rájöttek, hogy a jelenség valójában nem mond ellent a termodinamika második főtételének. Jóllehet a homokszemcsék mozgása bizonyos körülmények között jól modellezhető az ideális gáz molekuláinak mozgásával, ám ebben az esetben ez a leegyszerűsítés alaposan félrevisz. Az egyes homokszemcsék ugyanis maguk is képesek hőt elnyelni vagy leadni, azaz nemcsak mozgási energiájuk van (amely az ideális gázban a molekulák hőmérsékletének egyedüli mértéke), hanem saját hőmérsékletük is (amely az őket alkotó több milliárdnyi molekula rendezetlen mozgásának átlagos energiájával arányos). A homokszemcsék hőmérséklete tehát nem hozható közvetlen összefüggésbe a szemcsék rendezetlen mozgásának átlagos energiájával. Vagyis csodálkoznunk, és a Maxwell-démon működésére gyanakodnunk csupán akkor kellene, ha az ábrán látható kísérletben a tartályt valóságos gáz töltené ki.

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

Az eredeti sajtóanyag az UniSci honlapján.