Введение

Устройство вечного движения

В философии тепловой и статистической физики, брауновский или фейнмановский храповик – кажущееся устройство вечного движения второго рода (преобразующее тепловую энергию в механическую работу), впервые проанализированное в 1912 году в качестве мысленного эксперимента польским физиком Марианом Смолуховским. Он был популяризирован американским лауреатом Нобелевской премии, физиком Ричардом Фейнманом в лекции по физике в Калифорнийском технологическом институте 11 мая 1962 года, в серии его лекций "Посланник" "Характер физического закона" в Корнелльском университете в 1964 году и в его книге "Лекции Фейнмана по физике" как иллюстрация законов термодинамики. Эта простая машина, состоящая из крошечного гребного колеса и храповика, представляется примером демона Максвелла, способного извлекать механическую работу из случайных флуктуаций (тепла) в системе, находящейся в тепловом равновесии, что нарушает второй закон термодинамики. Детальный анализ, проведенный Фейнманом и другими, показал, почему это на самом деле невозможно.

Машина

Устройство состоит из механизма, известного как храповик, который свободно вращается в одном направлении, но предотвращает вращение в противоположном направлении с помощью собачки. Храповик соединен осью с черпаковым колесом, погруженным в жидкость из молекул при температуре . Молекулы образуют тепловую ванну, поскольку они подвергаются случайному броуновскому движению со средней кинетической энергией, определяемой температурой. Устройство представлено достаточно маленьким, чтобы импульс от одного молекулярного столкновения мог повернуть черпак. Хотя такие столкновения, как правило, стремились бы повернуть стержень в любом направлении с одинаковой вероятностью, собачка позволяет храповику вращаться только в одном направлении. Кажется, что суммарный эффект множества таких случайных столкновений заключается в непрерывном вращении храповика в этом направлении. Движение храповика затем может быть использовано для совершения работы над другими системами, например, для подъема веса (m) против силы тяжести. Энергия, необходимая для выполнения этой работы, по-видимому, поступает из тепловой ванны без какого-либо теплового градиента (то есть движение извлекает энергию из температуры воздуха). Если бы такая машина работала успешно, ее работа противоречила бы второму закону термодинамики, одна из формулировок которого гласит: "Любое устройство, работающее по циклу, не может получать тепло из одного резервуара и производить полезную работу".

История

Ракетный механизм с храповиком впервые был рассмотрен Габриэлем Липпманом в 1900 году как устройство, нарушающее Второй закон термодинамики. В 1912 году польский физик Мариан Смолуховский, а также Магнаско и Столовицкий (1998) расширили этот анализ, рассмотрев полный ракетный механизм, и показали, что выходная мощность устройства значительно меньше эффективности Карно, заявленной Фейнманом. В статье 2000 года Дерек Эбботт, Брюс Р. Дэвис и Хуан Паррондо повторно проанализировали проблему и обобщили её на случай множества ракетных механизмов, установив связь с парадоксом Паррондо. Леон Бриллюан в 1950 году обсудил аналогию в виде электрической цепи, использующей выпрямитель (например, диод) вместо ракетного механизма. Идея заключалась в том, что диод будет выпрямлять флуктуации теплового тока шума Джонсона, создаваемого резистором, генерируя постоянный ток, который можно использовать для совершения работы. Детальный анализ показал, что тепловые флуктуации внутри диода генерируют электродвижущую силу, компенсирующую напряжение от выпрямленных флуктуаций тока. Следовательно, как и в случае с ракетным механизмом, схема не будет производить полезную энергию, если все компоненты находятся в тепловом равновесии (при одной и той же температуре); постоянный ток будет генерироваться только в том случае, если температура диода ниже температуры резистора.

Гранулированный газ

Исследователи из Университета Твенте, Университета Патры в Греции и Фонда фундаментальных исследований материи построили двигатель Файнмана–Смолуховского, который, находясь не в состоянии теплового равновесия, преобразует псевдобрауновское движение в работу посредством гранулярного газа – совокупности твердых частиц, вибрирующих с такой интенсивностью, что система приобретает газоподобные свойства. Построенный двигатель состоял из четырех лопастей, которым было позволено свободно вращаться в виброфлюидизированном гранулярном газе. Поскольку механизм храповика, описанный выше, позволял оси вращаться только в одном направлении, случайные столкновения с движущимися частицами вызывали вращение лопастей. Это может показаться противоречащим гипотезе Фейнмана. Однако эта система не находится в идеальном тепловом равновесии: энергия постоянно подводится для поддержания текучести частиц. Интенсивные вибрации, создаваемые трясущим устройством, имитируют поведение молекулярного газа. В отличие от идеального газа, где мельчайшие частицы находятся в непрерывном движении, прекращение тряски привело бы к оседанию частиц. В эксперименте эта необходимая неравновесная среда была, таким образом, поддерживаема. Однако работа не выполнялась сразу; эффект храповика проявлялся только при превышении критической интенсивности тряски. При очень сильной тряске лопасти колеса взаимодействовали с газом, формируя конвекционный вал, поддерживающий их вращение.