Maxwells demon

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De werking van de demon

Maxwells demon is een fictief wezen in een gedachte-experiment, uit 1867, van de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell. Dit experiment was bedoeld om te twijfelen aan de Tweede wet van de thermodynamica. Volgens deze natuurwet is het onder andere niet mogelijk dat twee lichamen met een gelijke temperatuur in thermisch contact met elkaar, en samen een gesloten systeem vormend, evolueren naar een staat waar het ene lichaam een hogere temperatuur heeft dan het andere. Een andere formulering is dat een gesloten systeem altijd in een staat terecht komt met een zo hoog mogelijke entropie.

Het gedachte-experiment[bewerken]

Stel, we hebben twee ruimtes, met een tussenschot, die samen een gesloten systeem vormen. De ruimtes bevatten hetzelfde gas met dezelfde temperatuur, maar in het tussenschot zit een deur die bediend kan worden door een wezen, Maxwells Demon. Stel nu dat dit wezen de mogelijkheid heeft om de snelheid van een molecuul te bepalen, dan kan dit de deur openen als er een molecuul met een hoge snelheid aankomt en sluiten bij een molecuul met lage snelheid. Op deze manier zou de demon bijvoorbeeld moleculen met een hoge snelheid van de ene in de andere ruimte toelaten. Dit zou betekenen dat de gemiddelde snelheid van de moleculen in deze ruimte toeneemt en dus stijgt de temperatuur van het gas in die ruimte. Hierdoor ontstaat er een temperatuursverschil tussen beide ruimtes, er stroomt dus warmte van een koudere ruimte naar een warmere ruimte, hetgeen in strijd is met de tweede hoofdwet van de thermodynamica.

Is dit correct? Zou zo'n demon kunnen bestaan? Eén van de bekendste reacties hierop is gesuggereerd in 1929 door Leó Szilárd en later door Léon Brillouin. Szilárd stelde dat zo'n demon de mogelijkheid moet hebben om de moleculaire snelheid te meten, deze meting zou energie kosten. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica moet de entropie van het gesloten systeem toenemen. Aangezien er interactie is tussen de demon en het gas, moeten we deze twee samen beschouwen. Het verlies van energie van de demon zal een toename van zijn entropie betekenen, deze zal groter zijn dan de entropie-afname van het gas. Deze entropietoename betekent dat het experiment niet in strijd is met de tweede hoofdwet van de thermodynamica.

Deze verklaring werd uitgebreid in 1982 door Charles H. Bennett. In 1960 realiseerde Rolf Landauer dat thermodynamische reversibele metingen de entropie niet verhogen. In Maxwells gedachte-experiment zou dit betekenen dat de demon informatie over de staat van de molecuul moet opslaan. Aangezien de demon niet alles kan onthouden zal hij op een gegeven moment dingen vergeten, hierdoor zijn voorgaande metingen irreversibel.