热力学|第二热力学还能被违背吗？麦克斯韦的恶魔到底是何方神圣？( 二 )
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麦克斯韦的恶魔示意图（图源：University of Pittsburgh）
这个实验涉及了一个独立系统 。 一个充满任意气体的立方体被分成了两块有着同样温度的等体积区域 。 恶魔就把守在它们的分隔界限上 ， 兢兢业业地筛选着横冲乱撞的粒子们 。 高能量粒子最终都被分到同一个区域 ， 而剩下的低动能粒子则在另一个区域漫游着 。
因此 ， 恶魔可以被认为是一个设备或机器的比喻 ， 这个设备仔细分析容器内每一个粒子的速度和动能 。 基于它的分析 ， 这个设备准确地选择哪些粒子必须引入 ， 而要跟哪些粒子可以玩玩打砖块 。
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左：必须引入的高能量粒子 右：跟低能量粒子玩打砖块
这个说法看似违背了“同温度气体中的粒子都以同一个速度运动”的惯例 。 但是这里的同一速度指的是粒子们的平均速度 ， 也就是说粒子跑得有快有慢 ， 相互抵消达成一个平均值 。
【热力学|第二热力学还能被违背吗？麦克斯韦的恶魔到底是何方神圣？】通过恶魔的控制 ， 最后所有的高能量粒子都会聚集在其中一个区域 ， 就等于恶魔提高了其中一个区域的温度 。 多出的热量或压力就能供能给涡轮或推动活塞 。 对 ， 就这样凭空造出了能量 。 恶魔在没有做功的情况下降低了系统内的熵！
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就在麦克斯韦因为过于书呆子被禁足一个酒吧后 ， 提出了这个轰动一时的想法
我们要意识到很重要的一点就是 ， 阴险的恶魔否定了熵定律 ， 但是并没有违反能量守恒定律 。 它只是把随意的动能重新分布 ， 造成压力差 ， 从而在这个最初平衡的系统中收割能量！恶魔的诡计让大自然都望而生畏 。
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这样的装置真的存在吗？你们大概都要觉得我烦了 ， 当然这种事是不可能的！确实 ， 这样的雕虫小技还骗不过大自然的眼睛 。 就算兢兢业业的恶魔逃过了第二（热力学）定律的强势监管 ， 它也逃不开第一（热力学）定律无所不在的探照灯 。
第一热力学定律宣称 ， 没有装置可以在没有热源的情况下做功 ， 并且会在过程中吸收部分热量 。 或者说 ， 没有哪个过程的效能达到100% 。 装置工作不但需要热源的鼓动 ， 还一定会自己吸收一些 ， 增加自身的温度 。
蒸汽机中从热能到机械能的转换并不纯粹：一些热量被机器自己吸收 ， 降低了总体效能 ， 也增加了周围的熵 。
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满分都拿不到？！出来丢什么人
类似地 ， 如果恶魔是一个可以筛选粒子的高新机器 ， 那么问题就出现了：这个机器工作所用的能量是从哪里来的？就算他能得到能量 ， 关于热效能的定律仍然否定了熵减少的可能性 。
恶魔或者机器必须要得到关于粒子的信息 。 比如 ， 假设它们要检测质子的话 ， 如此复杂的机器在和粒子交流过程中会不可避免地消耗和吸收热量 ， 从而把净熵拉回原始值 。
这个理论的核心是 ， 通过计算 ， 任何恶魔都必须“产生”更多的熵来隔离粒子 ， 而这些“产生”的熵永远无法抵消它通过隔离粒子所降低的熵 。 也就是说 ， 它需要更多的热力学功来检测粒子的速度、选择它们进入哪个容器 。
>呼 ， 好险啊！
当然说到底 ， 我们还是为麦克斯的小聪明感到惊讶 。 如果不是有热力学第一定律的存在 ， 就没有人能把第二热力学定律从当众丢脸的境地拯救出来了 。 天下还真是没有免费午餐的！
作者: sciabc
FY: 小朴先森
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