Dimoni de Maxwell

Dimoni de Maxwell

El dimoni de Maxwell és el nom d'una criatura imaginària ideada en 1867 pel físic escocés James Clerk Maxwell capaç de violar la segona llei de la termodinàmica. Forma part d'un experiment mental dissenyat per a ilustrar la validea de la segona llei de la termodinàmica. Esta llei prohibix que entre dos cossos a diferent temperatura es puga transmetre la calor del cos fret al cos calent. La segona llei també s'expressa comunament afirmant: "En un sistema aïllat l'entropía mai decreix". En la primera formulació, el dimoni de Maxwell seria una criatura capaç d'actuar a nivell molecular seleccionant i separant molècules calentes i fredes. El nom "dimoni" prové aparentment d'un joc de naïps solitari conegut en Gran Bretanya en el que es devien separar cartes roges i negres de modo anàlec a molècules calentes i fredes. El dimoni de Maxwell apareix referenciado també com a paradoxa de Maxwell i és un dels pilars de la filosofia de la física tèrmica i estadística.

Formulació del dimoni de Maxwell

A l'esquerra el recipient en les molècules encara mesclades. A la dreta les molècules ya ordenades pel dimoni de Maxwell.

Partim inicialment de la premissa de que el dimoni és capaç de diferenciar entre molècules de gas a diferent temperatura, i separar-les en funció de dit factor. Aprofitant este colaborador, podríem construir una màquina tèrmica en un rendiment del 100 %.

El disseny seria el següent: imaginem una mescla equimolar de dos gasos "blau" i "roig", abdós en diferent capacitat calorífica específica (en lo que és de supondre que, a iguals condicions, les molècules d'un dels dos es moguen a major velocitat que les de l'atre); continguda en un recipient ideal en el que existix una paret intermija que separa el recipient en dos mitats, A i B, constituint un émbolo que la seua biela ix del recipient, i dotada d'una "porta" controlada pel dimoni.

Si, per eixemple, la calor específica del gas "blau" és major que el del gas "roig", el dimoni es posarà a treballar, i en un lapsus determinat haurà separat (pel simple método d'obrir selectivament la porta a les molècules més ràpides per a que passen al costat "ràpit" i a les més llentes a el "llent" del recipient) els dos gasos, violant la segona llei de la termodinàmica —hi ha hagut disminució de la entropía del sistema—.

El cicle de la màquina es completa obrint la porta, i deixant que el gas "blau" torne a mesclar-se en "roig". O, si s'utilisa un pistón, el moviment espontàneu per a tendir de nou a l'estat d'entropía màxima del sistema originarà un canvi del volum del costat en el que es troba el gas "roig", provocant aixina el moviment de la paret i en ella del émbolo, produint aixina un treball (se supon que entre la paret central unida al émbolo i el restant del recipient no hi ha fricció).

La entropía pot disminuir, per eixemple si es gela un gas, no existixen irreversibilitat, i per tant la producció d'entropía és nula. Ademés, la calor seria negativa puix el sistema ho pert; per tant recordant la formulació matemàtica de la Segona Llei obtenim que l'increment d'entropía és negatiu, en lo que la entropía decreix.

George Gamow (1904-1968) físic prominent que va formar part de l'equip que va formular la teoria de l'orige de l'univers coneguda com "La Gran Explosió" (Big Bang) descriu en forma magistral el concepte d'entropía en el capítul "El Dimoni de Maxwell" del seu llibre El Breviario del Senyor Tompkins.

Possible resolució de la paradoxa

Segons Léon Brillouin l'energia invertida en "capacitat de decisió" és la que s'utilisa per a separar abdós gasos. En atres paraules, la segona llei de la termodinàmica no pot violar-se per sistemes microscòpics en informació.

Léon Brillouin, inspirat en el treball de Szilard va enunciar la teorema pel qual es relaciona l'informació en la entropía negativa. Enunciat senzillament esta teorema diu que tota mida, o adquisició d'informació, requerix una despesa energètica.

No obstant també pot observar-se que el cubículo a on es troba el dimoni representa un sistema en un potencial cinètic o de moviment que s'introduïx al sistema de gasos per mig de el "treball" d'obrir i tancar la porta, sent possible la violació de la entropía sempre i quan el dimoni tinga energia per a introduir al sistema.

Lo que aparenta ser un sistema tèrmicament aïllat és en realitat un sistema cinéticamente obert, a on és possible transferir moviment entre dos sistemes.

D'esta forma no necessàriament és l'informació, ya que el dimoni de tots modos, en estar aïllat no la podria adquirir, sino l'injecció d'energia cinètica lo que fa que siga possible una aparent violació de la entropía.

Versions "reals" del dimoni de Maxwell

Poden trobar-se versions reals de dimonis de Maxwell (en la seua capacitat de disminuir la entropía equilibrada per l'aument d'esta en la seua construcció o interacció en el mig) pràcticament en la totalitat dels sistemes biològics que són capaços de disminuir localment la entropía pero a costa de gastar energia extreta dels seus aliments.

Un eixemple utilisat en freqüència és l'acció de determinades enzimas, proteïnas capaces de catalizar reaccions químiques en els organismes vius. La seua capacitat de decisió, consistent en reconéixer a les seues matèries primeres i les accions a eixercitar estan codificades (en térmens d'informació) en la pròpia seqüència d'aminoàcits de la proteïna.

En l'emergent camp de la nanotecnología també s'estudien mecanismes capaços de disminuir localment la entropía i de comportar-se en certa forma com un dimoni de Maxwell. En tots els casos la segona llei de la termodinàmica es preserva si es té en conte l'energia utilisada en l'adquisició i utilisació de l'informació.