论麦克斯维妖和苏门(鳝笼的进口)

永动机 下图为麦克斯维妖 下图为苏门 鳝笼入口 苏门由于门 B 远大于 AC 之间的小孔门 B 在重力作用下总能保持向下并压住门 槛 C 使小孔处于关闭状态 当具有一定速率的单一分子由左向右撞在苏门 B 上 时 分子速率减小转化为苏门 B 的重力势能使苏门开启直到这个单一分子能够 从苏门的左边进入苏门的右边 当具有一定速率的单一分子由右向左撞在苏门 B 上时 由于苏门 B 压在门槛 C 上的 苏门 B 不会被打开 此时苏门 B 产生形 变直到单一分子速率为零后苏门的形变会把能量还给分子 使分子再次具有动 能速率 麦克斯韦妖与苏门相同点黑色代表速率小的分子红色代表速率大的分子都只 能通过一个单一分子 不同点 1 麦克斯韦妖挑选的是大量分子的速率如图所 示 图中苏门是允许左面 A 盒子的分子进入 B 盒子 不允许 B 盒子分子进入 A 盒 不同点 2 从热力学第二定律出发麦克斯韦妖产生的其它能量变化是损耗 了妖的能量 苏门产生的其它能量变化是损耗了两个盒子里所有分子的能量 使两个盒子的总能量降低 从而可以从外界吸热 不同点 3 麦克斯韦妖是利 用妖产生温差对外做功 苏门主要是利用浓度差 两盒子的分子基数 对外做 功 不同点 3 用遗忘是需要消耗能量的说法是麦克斯韦妖和苏门它们遗忘所需要 消耗的能量来源不同 麦克斯韦妖是詹姆斯 麦克斯韦假想存在的一理想模型 麦克斯韦设想了一 个容器被分为装有相同温度的同种气体的两部分 A B 麦克斯韦妖看守两部分 间 暗门 可以观察分子运动速度 并使分子运动较快的分子向确定的一部 分流动 而较慢的分子向另一部分流动 经过充分长的时间 两部分分子运动 的平均速度即温度 参考统计力学中对于温度的微观解释 产生差值并越来越 大 经过运算可以得到这一过程是熵减过程 而麦克斯韦妖的存在使这一过程 成为自发过程 这是明显有悖于热力学第二定律的 对其最为有名的回应之一是由列奥 西拉德 英语 Le Szil rd 于 1929 年提出 西拉德指出如果麦克斯韦妖真正存在 那么它观察分子速度及获取信 息的过程必然产生额外的能量消耗 产生熵 熵增加原理 孤立系统的熵永不自动减少 熵在可逆过程中不变 在孤立系统的熵永不自动减少 熵在可逆过程中不变 在不可逆过程不可逆过程中增加 中增加 熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述 它比开尔文 克劳修斯表述更为概括地 指出了不可逆过程的进行方向 同时 更深刻地指出了热力学第二定律是大量分子无规则 运动所具有的统计规律 因此只适用于大量分子构成的系统 不适用于单个分子或少量分 子构成的系统 从分子运动论的观点看 作功是大量分子的有规则运动 而热运动则是大量分子的无 规则运动 显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小 而有规则的运动变成无规则运 动的几率大 一个不受外界影响的孤立系统 其内部自发的过程总是由几率小的状态向几 率大的状态进行 从此可见热是不可能自发地变成功的 首先对 热寂说 提出诘难的是詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 James Clerk Maxwell 1871 年 他在 热理论 一书的末章 热力学第二定律的限制 中 设计了一个假想的存在物 麦克斯韦妖 麦克斯韦妖有极高的智能 可以追踪每个分子的行踪 并能辨别出它 们各自的速度 这个设计方案如下 我们知道 在一个温度均匀的充满空气的容器里的分 子 其运动速度决不均匀 然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的 现在让我们假定把这样一个容器分为两部分 A 和 B 在分界上有一个小孔 在设想一个 能见到单个分子的存在物 打开或关闭那个小孔 使得只有快分子从 A 跑向 B 而慢分子 从 B 跑向 A 这样 它就在不消耗功的情况下 B 的温度提高 A 的温度降低 而与热力 学第二定律发生了矛盾 9 麦克斯韦认为 只有当我们能够处理的只是大块的物体而无 法看出或处理借以构成物体分离的分子时 热力学第二定律才是正确的 并由此提出应当 对热力学第二定律的应用范围加以限制 现在 物理学