Тұрақты қозғалыс машинасы: Фейнман-Смолуховский аралығы
Brownian ratchet
Тұрақты қозғалыс машинасы: Фейнман-Смолуховский аралығы, термодинамика заңдарын бұзуға талпысқан ой-эксперимент. Жұмыс істеу принципі, себептері түсіндіріледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Мәңгілік қозғалыс құрылғысы
Perpetual motion device
Термиялық және статистикалық физика философиясында, Браунның тістеуі немесе Фейнман–Смолуховский тістеуі – екінші типтегі мәңгілік қозғалыс машинасы (термиялық энергияны механикалық жұмысқа айналдыратын), алғаш рет 1912 жылы поляк физигі Мариан Смолуховский ой эксперименті ретінде талдады. Американдық Нобель сыйлығының лауреаты, физик Ричард Фейнман бұл құрылғыны 1962 жылдың 11 мамырында Калифорния технология институтында өткен физика лекциясында, 1964 жылы Корнелл университетіндегі "Физикалық заңның сипаты" атты Messenger Lectures сериясында және "Фейнманның физика бойынша лекциялары" атты еңбегінде термодинамика заңдарын иллюстрациялау үшін танымал етті. Кішкентай қанатты дөңгелек пен тістеуден тұратын қарапайым машина, Максвеллдің демонының мысалы сияқты көрінеді, ол термодинамиканың екінші заңын бұза отырып, жылулық тепе-теңдіктегі жүйедегі кездейсоқ тербелістерден (жылудан) механикалық жұмыс ала алады. Фейнман және басқалардың жасаған толыққанды талдауы, оның мұндай мүмкіндігі жоқ екенін көрсетті.
In the philosophy of thermal and statistical physics, the Brownian ratchet or Feynman–Smoluchowski ratchet is an apparent perpetual motion machine of the second kind (converting thermal energy into mechanical work), first analysed in 1912 as a thought experiment by Polish physicist Marian Smoluchowski. It was popularised by American Nobel laureate physicist Richard Feynman in a physics lecture at the California Institute of Technology on May 11, 1962, during his Messenger Lectures series The Character of Physical Law in Cornell University in 1964 and in his text The Feynman Lectures on Physics as an illustration of the laws of thermodynamics. The simple machine, consisting of a tiny paddle wheel and a ratchet, appears to be an example of a Maxwell's demon, able to extract mechanical work from random fluctuations (heat) in a system at thermal equilibrium, in violation of the second law of thermodynamics. Detailed analysis by Feynman and others showed why it cannot actually do this.
Машина
Құрылғы бір бағытта еркін айналатын, бірақ кері бағытта айналуына тосқауыл қоятын, "ракет" деп аталатын тісті дөңгелектен тұрады. Ракет білік арқылы молекулалардың сұйықтығына батырылған қалақ дөңгелегімен байланысты. Молекулалар температурамен анықталатын орташа кинетикалық энергиямен кездейсоқ Браун қозғалысын жасайды, осылайша олар "жылу ваннасын" құрайды. Құрылғы соншалық кішкентай деп есептеледі, бір молекуланың соқтығысы қалақты айналдыруға жеткілікті. Мұндай соқтығыстар таяқты екі бағытта да айналдыруға тең мүмкіндік берсе де, ракета бір бағытта ғана айналуға мүмкіндік береді. Көптеген мұндай кездейсоқ соқтығыстардың жалпы нәтижесі ракетаның сол бағытта үздіксіз айналуы болар еді. Ракеттің қозғалысын басқа жүйелерде жұмыс жасау үшін пайдалануға болады, мысалы, ауырлыққа қарсы салмақты (m) көтеруге. Бұл жұмысты орындау үшін қажетті энергия жылу ваннасынан алынар еді, ешқандай температура градиенті болмай (яғни, қозғалыс ауаның температурасынан энергия алады). Егер мұндай машина сәтті жұмыс істесе, оның жұмысы термодинамиканың екінші заңына қайшы келер еді, оның бір түрі былай гласит: "Цикл бойынша жұмыс істейтін кез келген құрылғы бір ғана жылу резервуарынан жылу алып, таза жұмыс мөлшерін өндіруі мүмкін емес."
The device consists of a gear known as a ratchet that rotates freely in one direction but is prevented from rotating in the opposite direction by a pawl. The ratchet is connected by an axle to a paddle wheel that is immersed in a fluid of molecules at temperature The molecules constitute a heat bath in that they undergo random Brownian motion with a mean kinetic energy that is determined by the temperature. The device is imagined as being small enough that the impulse from a single molecular collision can turn the paddle. Although such collisions would tend to turn the rod in either direction with equal probability, the pawl allows the ratchet to rotate in one direction only. The net effect of many such random collisions would seem to be that the ratchet rotates continuously in that direction. The ratchet's motion then can be used to do work on other systems, for example lifting a weight (m) against gravity. The energy necessary to do this work apparently would come from the heat bath, without any heat gradient (i. e. the motion leeches energy from the temperature of the air). Were such a machine to work successfully, its operation would violate the second law of thermodynamics, one form of which states: "It is impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work."
Тарих
Рашета мен паульді алғаш рет 1900 жылы Габриэль Липпман екінші заңды бұзатын құрылғы ретінде талқылады. 1912 жылы поляк физигі Мариан Смолуховски Магнаско мен Столовицкий (1998) осы талдауды толық рашет құрылғысын қарастыруға дейін кеңейтті және құрылғының қуат шығыны Файнман мәлімдеген Карно тиімділігінен әлдеқайда төмен екенін көрсетті. 2000 жылы Дерек Эбботт, Брюс Р. Дэвис және Хуан Паррондоның мақаласы мәселені қайта талдап, оны бірнеше рашетке қатысты кеңейтіп, Паррондоның парадоксымен байланысты екенін көрсетті. Леон Бриллуан 1950 жылы электр тізбегінің аналогын талқылады, ол рашет орнына тіктелгіш (мысалы, диод) пайдаланады. Оның идеясы диодтың Джонсон шуынан туындаған резистор арқылы жылу тогының флуктуацияларын түзетіп, жұмыс істеуге пайдаланылатын тұрақты ток тудыруы болды. Деталы талдау көрсеткендей, диодтың ішіндегі жылулық флуктуациялар түзетілген ток флуктуацияларынан туындаған кернеуді жоятын электр қозғаушы күшті тудырады. Сондықтан, рашет сияқты, тізбек барлық компоненттер жылулық тепе-теңдікте (бірдей температурада) болса, пайдалы энергия өндірмейді; тұрақты ток тек диод резистордан төмен температурада болған кезде ғана пайда болады.
The ratchet and pawl was first discussed as a Second Law violating device by Gabriel Lippmann in 1900. In 1912, Polish physicist Marian Smoluchowski Magnasco and Stolovitzky (1998) extended this analysis to consider the full ratchet device, and showed that the power output of the device is far smaller than the Carnot efficiency claimed by Feynman. A paper in 2000 by Derek Abbott, Bruce R. Davis and Juan Parrondo, reanalyzed the problem and extended it to the case of multiple ratchets, showing a link with Parrondo's paradox. Léon Brillouin in 1950 discussed an electrical circuit analogue that uses a rectifier (such as a diode) instead of a ratchet. The idea was the diode would rectify the Johnson noise thermal current fluctuations produced by the resistor, generating a direct current which could be used to perform work. In the detailed analysis it was shown that the thermal fluctuations within the diode generate an electromotive force that cancels the voltage from rectified current fluctuations. Therefore, just as with the ratchet, the circuit will produce no useful energy if all the components are at thermal equilibrium (at the same temperature); a DC current will be produced only when the diode is at a lower temperature than the resistor.
Дәнді газ
Твенте университеті, Грекиядағы Патрас университеті және Материяның негізгі зерттеулер қоры зерттеушілері Фейнман-Смолуховский қозғалтқышын құрастырды. Бұл қозғалтқыш, жылулық тепе-теңдікте болмаған жағдайда, псевдо-Браундық қозғалысты гранулярлық газ арқылы жұмысқа айналдырады. Гранулярлық газ – бұл қатты бөлшектердің жиынтығы, олар соншалық күшпен тербеліп, газ тәрізді күйге көшеді. Құрастырылған қозғалтқыш төрт қанаттан тұрды, олар вибросұйықталған гранулярлық газ ішінде еркін айналуға мүмкіндік алды. Жоғарыда сипатталғандай, ратчеттің тісті дөңгелегі мен құлыптағыш тетігі білікке тек бір бағытта айналуға рұқсат бергендіктан, қозғалатын бөлшектермен кездейсоқ соқтығысулар қанатты айналдырды. Бұл Файнманның гипотезасына қайшы сияқты көрінеді. Алайда, бұл жүйе толық жылулық тепе-теңдікте емес: бөлшектердің сұйық қозғалысын сақтау үшін энергия үнемі беріліп отырады. Тербеліс құрылғысының үстінен күшті тербелістер молекулалық газдың сипатын имитациялайды. Бірақ, ұсақ бөлшектердің үнемі қозғалатын идеалдық газбен салыстырғанда, тербелісті тоқтату бөлшектердің түсіп қалуына ғана әкеледі. Экспериментте, осы қажетті тепе-теңдіктен тыс орта сақталды. Дегенмен, жұмыс бірден орындалмады; ратчет әсері тек тербелістің белгілі бір күшінен кейін ғана басталды. Өте күшті тербеліс кезінде дөңгелектің қанаттары газбен өзара әрекеттесіп, конвекциялық айналымды құрады, осы арқылы олардың айналуын қамтамасыз етті.
Researchers from the University of Twente, the University of Patras in Greece, and the Foundation for Fundamental Research on Matter have constructed a Feynman–Smoluchowski engine which, when not in thermal equilibrium, converts pseudo Brownian motion into work by means of a granular gas, which is a conglomeration of solid particles vibrated with such vigour that the system assumes a gas like state. The constructed engine consisted of four vanes which were allowed to rotate freely in a vibrofluidized granular gas. Because the ratchet's gear and pawl mechanism, as described above, permitted the axle to rotate only in one direction, random collisions with the moving beads caused the vane to rotate. This seems to contradict Feynman's hypothesis. However, this system is not in perfect thermal equilibrium: energy is constantly being supplied to maintain the fluid motion of the beads. Vigorous vibrations on top of a shaking device mimic the nature of a molecular gas. Unlike an ideal gas, though, in which tiny particles move constantly, stopping the shaking would simply cause the beads to drop. In the experiment, this necessary out of equilibrium environment was thus maintained. Work was not immediately being done, though; the ratchet effect only commenced beyond a critical shaking strength. For very strong shaking, the vanes of the paddle wheel interacted with the gas, forming a convection roll, sustaining their rotation.