Η θερμική μηχανή του Szilard

Posted on 16/02/2011

0


Οι θερμικές μηχανές, όπως για παράδειγμα η μηχανή του Carnot και η μηχανή του Otto, μετατρέπουν την θερμότητα σε ωφέλιμη ενέργεια (έργο). Η μηχανή του Carnot μάλιστα κατέχει ιδιαίτερη θέση στην θεωρία της θερμοδυναμικής.

To 1929 o Leo Szilard (1898 – 1964) πρότεινε μια ιδεατή μηχανή η οποία συνδέει για πρώτη φορά την πληροφορία με την θερμοδυναμική πριν από τον Shannon.
Η μηχανή του Szilard είναι βυθισμένη σε σε μια δεξαμενή θερμότητας που έχει σταθερή θερμοκρασία Τ, εξασφαλίζοντας ότι όλες οι θερμοδυναμικές μεταβολές της μηχανής θα είναι ισόθερμες.
Αποτελείται από ένα δοχείο – με διαθερμικά τοιχώματα – το οποίο περιέχει «αέριο» με μόνο ΕΝΑ (1) ΜΟΡΙΟ !
Επίπλέον, στα δυο άκρα του δοχείου υπάρχουν έμβολα και το μέσον μπορεί να ανοιγοκλείνει ένα διάφραγμα.
Ένας κύκλος της μηχανής του Szilard αποτελείται από τα επόμενα βήματα:
-Το διάφραγμα κλείνει. Το μοναδικό μόριο θα βρίσκεται σε ένα από τα δυο τμήματα του δοχείου

-Ένας δαίμονας (σαν τον δαίμονα του Maxwell) ανακαλύπτει σε ποιο από τα δυο ήμισυ βρίσκεται το μόριο (έστω ότι βρίσκεται στο αριστερό τμήμα)

-O δαίμονας μετακινεί το δεξιό έμβολο στο κενό τμήμα του δοχείου (και αφού δεν περιέχεται «αέριο» και δεν υπάρχουν τριβές, δεν καταναλώνει ενέργεια)

-Μόλις το έμβολο φτάσει στο μέσον του δοχείου το διάφραγμα ανοίγει

και το άεριο (που συνίσταται από ένα μόριο) μετακινεί το έμβολο προς τα δεξιά (εκτονώνεται ισόθερμα) παράγοντας ωφέλιμο έργο

-Ένας νέος κύκλος ξεκινά κλείνοντας το διάφραγμα….
Δείτε τα παραπάνω στάδια σε κίνηση:
Το έργο που παράγεται σε έναν κύκλο είναι:

W = Ν k T ln2

και η μείωση της εντροπίας του συστήματος:

Ν k ln2
Η μείωση της εντροπίας προκύπτει από το bit της «πληροφορίας» που μας αποκαλύπτει, σε ποιο τμήμα βρίσκεται το μόριο του «αερίου» στην αρχή του κύκλου.

Η μηχανή του Szilard παρουσιάζει κι άλλες παραδοξότητες.
Πρόκειται για θερμική μηχανή που βρίσκεται συνεχώς στην ίδια θερμοκρασία, ενώ οι θερμικές μηχανές πάντα λειτουργούν μεταξύ (τουλάχιστον) δυο διαφορετικών θερμοκρασιών…
Η απόδοσή της είναι ίση με την μονάδα, διότι το ωφέλιμο έργο που παράγει είναι ίσο με την θερμότητα που απορροφά από την δεξαμενή θερμότητας, οπότε:

e = W/Qh = 1

Έτσι παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής που απαγορεύει την ύπαρξη θερμικής μηχανής με απόδοση ίση με την μονάδα.
numericana.com