布朗棘轮

引言

布朗棘轮是是一个费曼提出的思想实验,其本质是一种机械麦克斯韦妖。

在两个热力学系统之间,如果可以存在物质与能量交换,那么假如有一个智慧的生命体,只选择能够使一侧温度升高的粒子通过,那么该装置便违反了热力学第二定律,即,我们在没有对外界产生其他影响的条件下使得一个热源温度升高了。 费曼在讲授热力学第二定律的时候提出了这样一个思想实验: 气体分子存在热涨落,假若存在这样两个系统,在A器皿中存在一个分子大小的螺旋桨,能够在分子热涨落的作用下左右摆动。A与B的螺旋桨与B中的齿轮通过轮轴连接。假若B中存在一个“棘轮”,能够使得轮轴在一个方向上转动更加容易,在另外一个方向上转动更加困难。 我们既能够筛选单向的分子涨落——即我们直接从空气中泵取了能量。我们假如在轮轴上系一个物体,我们甚至可以增加它的重力势能。

但事实上,热力学第二定律在这个系统中是不被违反的,介绍见下。

原理

可以看到: 1、把棘轮抬起来进而进行一次旋转,棘轮落下的动能会转化为内能。这已经对外界产生了影响,这一点使得该装置没有违反热力学第二定律。分子发电机,与潮汐发电区别并不大。 2、转化的内能会加热B。我们要注意,装置是在分子级别的,装置B中也有分子涨落,涨落也可以使得棘轮齿失灵,使得棘轮反向转动。最终,正向转反向转的热力学概率相同,不再有单向转动趋势。

装置设计

设计图

如图所示,将布朗棘轮整体宏观化。用BB弹代替气体分子。用偏心转子不断驱动装置的底板以高频率与高幅度上下振动,来充当分子热运动的动力源。用一根细轴穿过装置本体,叶片穿于轴上。棘轮悬挂于装置外部,以避免内部BB弹的高速运动的影响。本演示实验仪器并不能观察到最终平衡的现象。因为宏观的仪器并不能保证微观系统的动能不耗散,粒子运动的动力源必须由偏心转子不断地供给。而热源二则直接选择了外界环境。

建造

系统框架由亚克力板搭建,轮轴采用钢制轮轴,叶片与棘轮均采用PVC制,棘轮齿采用V字型臂并搭在齿轮的一侧以形成不对称性。装置的图片如下:

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A mechanical Maxwell Demon, demonstration videos are listed below.

 
course/demo/projects/2018/perpetual_machine.txt · 最后更改: 2018/06/22 12:06 由 misaka
 
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