De ce este ruptă a doua lege a termodinamicii în sistemele cuantice
Rezumatul principalelor argumente.
Încălcarea celei de-a doua lege a termodinamicii rezultă din încălcarea postulatei mișcării haotice în starea de echilibru.
Pentru a înțelege importanța postulatului de dezordine pentru a salva a doua lege a termodinamicii poate fi considerat un dispozitiv constând dintr-o placă turnantă, un clichet și clichet este sugerat în celebra sa Feynman Lectures de Fizică [1] p.138. Feynman a arătat în mod convingător că mișcarea aleatorie a moleculelor nu poate fi transformată în lucru util în ciuda clichetul cu clichet. Dar aceasta este doar într-o mișcare haotică. În cazul în care moleculele nu se mișcă foarte haotic, de exemplu, în cazul în care probabilitatea mișcării lor în sensul acelor de ceasornic depășește probabilitatea de mișcare în direcția opusă, lucrarea ar putea avea loc chiar și fără un clichet și clichet, și Flea, care Feynman atârna pe un fir de pe tamburul poate fi ridicat, încălcând a doua lege a termodinamicii.
Postulatul despre caracterul aleator al oricărei mișcări în starea de echilibru a fost propus de Maxwell și Boltzmann ca un compromis între fundamentele termodinamicii clasice și teoria cinetică a căldurii, ca mișcarea eternă a atomilor. Când la începutul secolului XX teoria lor a fost recunoscută, acest compromis a fost, de asemenea, recunoscut potrivit căruia mișcarea eternă există, dar ea este întotdeauna haotică și, prin urmare, nu poate fi folosită pentru a realiza o muncă utilă.
Pentru susținătorii termodinamicii clasice ale secolului al 19-lea, construit pe premisa imposibilității de mișcare perpetuă, recunoașterea mișcare perpetuă a fost inacceptabilă. Prin urmare, teoria cinetică a căldurii și Maxwell Boltzmann a fost mult timp recunoscut de către mulți oameni de știință, în ciuda faptului că au oferit mântuirea la a doua lege a termodinamicii, postula cazualității mișcare perpetuă. În cele din urmă, punctul de vedere al lui Maxwell și Boltzmann a câștigat doar la începutul secolului 20 (a se vedea. De exemplu, [2]). Un rol important în acest sens a fost jucat de studiul mișcării browniene. „După deschiderea mișcării browniene a unei interpretări stricte a doua devine imposibil: aici a existat o experiență reală, care a arătat indiferent de ce altceva teoria moleculară a doua lege a termodinamicii este în mod constant încălcate în natură, o mașină de mișcare perpetuă de al doilea tip este nu numai că nu exclude, dar întotdeauna efectuate chiar în fața ochilor noștri „(citat din [4], str.347).
mișcarea browniană este o dovadă clară, nu numai de mișcare perpetuă, dar, de asemenea, o mașină de mișcare perpetuă, deoarece mișcarea particulelor mici se observă la starea de echilibru, în prezența de frecare, care este imposibilă fără prezența unei forțe motrice. Rețineți că ecuația Langevin propusă pentru a descrie mișcarea browniană poate fi folosit pentru a descrie mișcarea unui corp, cum ar fi un vehicul. Dar, conform opiniei dominante este acum masina, spre deosebire de particule browniene, nu se pot deplasa fără combustibil, astfel încât nu putem folosi forța pentru a muta particulele browniene (forță Langevin) pentru a muta masina, din cauza intamplatoare. Postulatul mișcării haotice a atomilor a fost în mod natural extins la mișcarea browniană.
Acest postul a apărut în cadrul mecanicii clasice, nu numai din cauza credinței în imposibilitatea unui mobil perpetuum util (existența unui mobil perpetuum inutil este evident din observarea mișcării browniene). Deoarece, datorită simetriei spațiului, probabilitatea P a unei stări cu o anumită viteză v într-o stare de echilibru nu depinde de direcția sa P (v) = P (-v). atunci viteza medie este zero
Această concluzie privind egalitatea dintre zero și viteza medie a oricărei mișcări în starea de echilibru nu poate fi extinsă la sistemele cuantice, deoarece, conform mecanicii cuantice, spectrul stărilor permise poate fi discret. Și aceasta înseamnă că principiul de aleatorie poate fi încălcat în unele sisteme cuantice, deoarece haosul implică, în special, viteza medie zero. Prin urmare, generalizarea statutului absolut al celei de-a doua lege a termodinamicii la sistemele cuantice nu este justificată.
Bineînțeles, nu fiecare stat de echilibru cu o viteză medie nesemnificativă amenință a doua lege. De exemplu, mișcarea electronilor într-un atom sau un curent superconductor la zero rezistență nu este amenințată. El poate fi amenințat numai de o mișcare îndreptată într-o stare de echilibru în prezența fricțiunii, adică direcționarea mișcării Brownian. O astfel de mișcare orientată Browniană, după cum se arată în [5]. este un curent persistent observat, de exemplu în inele mezoscopice, cu rezistență diferită de zero.
Curentul stabil este observat în inelele mesoscopice atunci când există o cuantizare a circulației pulsului
particule cu sarcină q: electroni cu q = e sau perechi supraconductoare cu q = 2e. Datorită cuantizării, viteza
nu poate fi zero dacă fluxul magnetic din interiorul inelului # 70; nu este un multiplu al cuantumului fluxului # 70; 0 = 2 # 112; # 104; c / q. r este raza inelului; n este un număr întreg. Viteza medie, cantitatea curentă constantă și alte cantități reprezintă o funcție periodică a fluxului magnetic # 70; cu o perioadă egală cu cuantumul fluxului # 70; 0 având în vedere dorința ca viteza să ia valoarea minimă posibilă.
Curentul stabil la zero rezistență nu este mișcarea browniană. Prin urmare, este important să se sublinieze faptul că se observă nu numai în starea supraconductoare, dar la o rezistență de zero: fluctuația în regiune în apropierea tranziției supraconductoare, și, de asemenea, în inelele mesoscopice din metale normale, în cazul în care drumul liber de electroni este mai mare decât circumferința inelului.
Curent curent, adică Curentul constant în starea de echilibru observat cu rezistența nonzero este un fenomen destul de bine cunoscut, cel puțin printre specialiștii din structurile mezoscopice. Prin urmare, este necesar să explicăm de ce nu observă contradicția acestui fenomen cu a doua lege a termodinamicii. Numeroase discuții arată că acest lucru se datorează numai încrederii lor în imposibilitatea de a încălca al doilea principiu: în cazul în care fenomenul este observat, acesta nu poate contrazice al doilea principiu, altfel nu poate fi observat. Mulți dintre ei susțin că lucrarea nu poate fi extrasă dintr-un curent constant, deoarece acesta este un fenomen de echilibru. Dar această afirmație este echivalentă cu afirmația că al doilea principiu nu poate fi încălcat. Starea de echilibru corespunde energiei libere gratuite F = E - ST și nici o sumă nu poate fi redusă mai mică decât minimul. Dar se poate extrage lucrarea fără a reduce energia liberă F. Dacă, odată cu scăderea energiei interne E, entropia lui S. este redusă, aceasta este doar încălcarea celui de-al doilea principiu.
Încrederea apărătorilor celui de-al doilea principiu constă în faptul că este imposibilă extragerea lucrării din curentul constant și observarea unei surse de curent continuu [6]. În această lucrare, o diferență constantă de potențial proporțională cu curentul constant este observată la temperaturi apropiate de tranziția superconductoare pe segmentele unei bucla mesoscopice asimetrice. Evident, puterea DC, spre deosebire de zgomotul Nyquist, poate fi folosită pentru a finaliza lucrarea. Curentul stabil pentru rezistență non-zero și tensiune stabilă poate fi considerat ca zgomot Nyquist rectificat. Motivul pentru această "rectificare" este discreența spectrului de stări permise în inelul supraconductor. Puterea totală a zgomotului Nyquist [1] și puterea maximă a curentului constant [5] sunt egale cu puterea de fluctuație (kB T) 2 / # 104; deoarece ambele sunt fenomene de fluctuație. Dar puterea zgomotului Nyquist este "murdară" pe spectrul de frecvențe WNyq = kB T # 68; # 119; de la zero # 119; = 0 la limita cuantumului # 119; = kB T / # 104; . iar puterea curentului constant nu este zero în banda de frecvență # 68; # 119; zero lățime la # 119; = 0. Prin urmare, zgomotul Nyquist, ca unul dintre tipurile de mișcare browniană haotică, nu amenință a doua lege a termodinamicii, iar curentul constant îl respinge, deoarece este o mișcare orientată Browniană.
Astfel, curentul constant observat cu rezistența nonzero este o dovadă experimentală a încălcării postulatului de aleatorie a oricărei mișcări browniene care salvează a doua lege a termodinamicii la începutul secolului al XX-lea.
[1] R. Feynman, R. Leighton, M. Sands, Feymanov Cursuri de fizică. vol.4, Moscova "Lumea" din 1967.
[2] M.Smoluhovsky "validitate Bounds a doua lege a termodinamicii" Phys 93 724 (1964). (M.Smoluchowski "Gultigkeitsgrenzen des zweiten Hauptsatzes der Warmetheorie", în Vortrage uber kinetische Theorie der und der Elektrizitat Materie (Mathematische Vorlesungen an der Universitat Gottingen VI). Leipzig und Berlin, B.G.Teubner, 1914, p.87).
[3] Sadi Carnot, "Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță", Colecția de lucrări "A doua lege a termodinamicii" GTTI, Moscova-Leningrad, 1934.
[4] Mario Lozzi, Istoria fizicii "Lumea" M.1970 (tradus din ediția italiană de Storia Della Fisica di Mario Gliozzi, Storia Delle Scienze, Vol. 2, Torino, 1965).
Întrebări pentru apărătorii celui de-al doilea început.
- Sunteți de acord că încălcarea postulatului de aleatorie a mișcării browniene amenință a doua lege a termodinamicii?
- Sunteți de acord cu faptul că viteza medie a mișcării particulelor cuantice nu poate fi egală cu zero în starea de echilibru?
- Sunteți de acord că un curent persistent este o mișcare Browniană îndreptată? Dacă nu, cum puteți explica observarea unui curent constant, neîntărit, circular, cu rezistență non-zero și forță electromotoare Faraday?
- Sunteți de acord că existența unei mișcări orientate Browniene face posibilă obținerea muncii din căldura într-o stare de echilibru, încălcând a doua lege a termodinamicii?
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: