Diavoletto di Maxwell
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Il diavoletto di Maxwell è un congegno teoricamente capace di agire sulla scala microscopica in modo da maneggiare singole particelle allo scopo di non produrre una violazione macroscopica del secondo principio della termodinamica. Potrebbe produrre una variazione di temperatura senza alcuna spesa di energia.
| « ..se concepiamo un essere con una vista così acuta da poter seguire ogni molecola nel suo movimento, pur avendo le medesime nostre limitazioni per quanto riguarda altri attributi, questi potrebbe fare ciò che a noi oggi è impossibile » | |
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(James Clerk Maxwell)
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[modifica] Esperimento mentale di Maxwell
L'idea, che porta il nome del fisico James Clerk Maxwell, è basata sul fatto che il secondo principio ha, a differenza del primo, carattere statistico. Se si accetta di poter descrivere un gas (o in generale un corpo macroscopico) come un insieme di particelle (eventualmente interagenti) si può reinterpretare lo stato di equilibrio termodinamico di un sistema chiuso come quello più probabile e quindi quello più di frequente realizzato dalle particelle. Nulla vieta l'esistenza di fluttuazioni termodinamiche che possono portare il sistema in uno stato diverso da quello di equilibrio: esse sono escluse solo sulla base della loro improbabilità, non per ragioni fisiche codificate nelle leggi della meccanica che sottostanno alla statistica. Il diavoletto dovrebbe allora essere un congegno di qualche tipo, operante secondo tali leggi, ma a livello microscopico.
Maxwell descrive l'esperimento in maniera semplice e facilmente immaginabile: si considerano infatti due contenitori immaginari, A e B, riempiti con un gas identico e alle stesse temperature, posti uno a fianco dell'altro, separati solamente da una piccola botola che ne permette la comunicazione.
Un piccolo diavoletto sta a guardia della botola, mantenendola chiusa e osservando le molecole nei due diversi contenitori. Quando una molecola più veloce delle altre si dirige verso la botola, il diavoletto la apre e lascia che la molecola passi dal contenitore A al contenitore B. La velocità media delle molecole in B quindi è aumentata, mentre quella delle molecole in A è diminuita. Tuttavia all'aumento della velocità media delle molecole, corrisponde un aumento della temperatura: la temperatura in A è infatti diminuita, mentre la temperatura in B è aumentata: questo è in contraddizione con la seconda legge della termodinamica.
[modifica] Implementazione pratica
Fin dai tempi di Maxwell sono state proposte numerose versioni del diavoletto termodinamico. In una delle più semplici, si produce una differenza di pressione anziché di temperatura, consentendo a tutte le molecole, indipendentemente dalla loro velocità di passare da B ad A, ma impedendone il passaggio nel verso opposto. Dopo un breve intervallo di tempo, la maggior parte delle molecole si concentrerà in A, mentre in B si produrrà un vuoto parziale. Questo diavoletto appare molto più verosimile della creatura originale di Maxwell, dato che non è necessario che sia in grado di vedere e di pensare. Non vi è motivo immediatamente evidente che impedisca di realizzare questo diavoletto, ad esempio con una valvola a flusso unidirezionale per le molecole, utilizzando dispositivi inanimati, come un minuscolo battente a molla. Come il diavoletto di Maxwell, questo dispositivo a pressione potrebbe costituire una sorgente illimitata di energia per molte macchine.
[modifica] Ragioni dell'impossibilità
Delle molte possibili implementazioni simili a quella proposta nessuna è stata realmente realizzata. Non appena si scende nel dettaglio, cercando di modellizzare concretamente il diavoletto, ad esempio chiedendosi come si possa costruire un setto con le proprietà suddette, ci si scontra con una serie di problemi non banali che suggeriscono una natura fondamentale del secondo principio, che non è quindi violabile con trucchi di questo genere. Uno di questi problemi è legato al fatto che è necessario individuare le particelle (determinare ad esempio se provengono da un lato o dall'altro del setto) tramite qualche meccanismo, che in genere richiede energia (ad esempio l'invio di un fotone) e che è necessario implementare una struttura decisionale che consenta al diavoletto di agire in modo diverso a seconda del verso di provenienza della molecola (il diavoletto va quindi modellizzato come un computer, che necessita di energia per funzionare). Il campo di studi che si occupa di questi problemi è quello dell'informazione quantistica, che è uno dei più vitali della fisica contemporanea; il paradosso del diavoletto di Maxwell è in gran parte ancora attuale.
