Илья Панкратов - Слонодёмия

Читателю, наверное, интересно, что такое демон Максвелла для физиков. Это участник мысленного эксперимента. Вымышленный, конечно. Придумал его британский физик Джеймс Максвелл, чтобы наглядно объяснить парадокс Второго начала термодинамики — так называется один физический закон. Его обычно объясняют на примере молекул, но мы вообразим похожие ситуации из жизни.

Представим большой каток и много людей на коньках. Катание в самом разгаре. Погода выдалась морозная. Чем быстрее ты будешь двигаться, тем теплее тебе становится. Легко одетым приходится пошевеливаться. С молекулами всё точно так же. Где молекулы бегают быстро, там и теплее. Зимой, когда воздух холодный, молекулы двигаются медленнее, чем летом, когда заметно теплее.

Разделим каток пополам бортиком. Оставим небольшой проезд в середине. Каток большой, и людей на нём много. Есть и едва ковыляющие новички, и уверенные завсегдатаи, и даже те, кто играет в догонялки и врезается в остальных. При этом на каждой половине есть и те, и другие, и третьи — всё как на большом катке. С молекулами та же история. Если в пещере поставить стену, температура воздуха в каждой половине будет одинаковая.

Поставим в проезде между половинами катка контролёра, который пропускает в левую часть катка только быстрых конькобежцев и не выпускает их направо. Тем, кто не торопится, контролёр разрешает проехать в правую часть катка, но запрещает в левую. Через некоторое время слева будут кататься все быстрые, а справа — все медленные.

В случае с молекулами это означает, что в левой части пещеры стало теплее, поскольку там они бегают быстрее.

Закон природы (Второе начало термодинамики) гласит: холодное не может нагреть тёплое. Чтобы прохладное стало холодным, а тёплое — горячим, нужно поработать! Контролёр добился, чтобы люди в левой части катка бегали быстрее, чем в правой. Однако ему пришлось потрудиться. Контролёр для молекул — это демон Максвелла. Он сортирует молекулы воздуха в перегороженной пещере. Демон Максвелла узнаёт скорость каждой молекулы, подлетающей к отверстию в перегородке. Он именно знает скорость. Затем решает, пропускать молекулу в другую часть пещеры или нет. В результате в одной половине оказываются быстрые молекулы, а в другой — медленные. Значит, и температура в одной части становится выше, чем в другой. Ведь температура напрямую зависит от скорости движения молекул.

Картинка 1. Демон Максвелла

Демон Максвелла отделяет медленные молекулы от быстрых. В пещере установлена перегородка с дверцей. Медленным молекулам демон Максвелла открывает дверь в перегородке из части А в часть Б, а быстрым — из Б в А. В итоге часть А заполнена только быстрыми молекулами, а часть Б — только медленными. Значит, в части пещеры А теплее, чем в части пещеры Б.

Казалось бы, закон нарушен: тепло передаётся от более холодной части пещеры в более тёплую. Но Второе начало термодинамики говорит только о том, что тепло не может передаваться само по себе. А если одновременно затрачивается энергия, то очень даже может. Этот закон природы не запрещает, скажем, холодильник. Прибор потребляет энергию и тратит её на то, чтобы перераспределить тепло изнутри наружу: охладить то, что внутри, и взамен нагреть кухню. Хорошо бы, конечно, чтобы эскимо охлаждалось само, лёжа на столе. Но не получится. Демон Максвелла тоже должен чем-то питаться (другими словами, ему нужна энергия извне). А раз так, то и парадокса нет.

Кому нужен вечный двигатель, если он работает только от вечных батареек?

В «Заметках Дёминого папы» будут и картинки. Они помогут представить, о чём идёт речь. Однако все наши рассуждения, рисунки и схемы не будут строго правдивы. В самом деле, рисуя то, что нельзя увидеть, мы уже немного искажаем действительность. Впрочем, все физические теории в каком-то смысле — карикатуры реального мира.

Местечко, куда попал Дёма, называется Тыквено. С севера долину отгораживает горный массив Высогоры. Некоторые пики покрыты снегом. Кажется, кто-то оторвал горы, облизал верхушки и обмакнул в сахарницу, а затем поставил обратно. Густой берёзовый лес сбегает с перевала Седлового прямо в Волнозеро. Бирюзовые воды озера стекают на юго-запад долины ручьём Быстрорек. Сначала он гулко обрушивается водопадом Коса Великанши, а потом несётся дальше, рассекая Тыквено надвое, словно лезвием. Правый берег ручья зарос берёзками вперемежку с соснами и называется Белороща. Там обычно светло и сухо. Приятно отдохнуть на зелёном ковре полянки, пожёвывая сочный стебелёк, и подкрепиться земляникой на опушке.