麦克斯韦妖

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麦克斯韦妖是在物理学中，假象的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制，是1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。

当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐的假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形

在19世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。

直至热力学第一定律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。



热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，它指明：热是物质运动的一种形式。这说明外界传给物质系统的能量（热量），等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。

热力学第一定律的产生是这样的：在18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越关注热和功的转化问题。于是，热力学应运而生。1798年，汤普生通过实验否定了热质的存在。德国医生、物理学家迈尔在1841?843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点，这是热力学第一定律的第一次提出。焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。

在热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时，又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。

1824年，法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环（即卡诺循环）的研究，得出结论：热机必须在两个热源之间工作，热机的效率只取决与热源的温差，热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。即热量不能完全转化为功。

1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。

在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后，克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。

为了批驳“热寂论”，麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵（麦克斯韦妖），它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样，一段时间后，盒子两边产生温差。麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。

1877年，玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系S=KlnQ，其中 K为 玻尔兹曼常数。1906年，能斯特提出当温度趋近于绝对零度 T→0 时，△S / O = 0 ，即“能斯特热原理”。普朗克在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出，各种物质的完美晶体，在绝对零度时，熵为零（S 0 = 0 ），这就是热力学第三定律。

热力学三定律统称为热力学基本定律，从此，热力学的基础基本得以完备。

热力学第一定律 也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。 能量守恒定律 ：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。 第一类永动机 是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。其不可能存在，因为违背了能量守恒定律。 热力学第二定律 有三种表述方式： 克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体； 开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响； 熵表述：随时间进行，一个孤立体系中的熵不会减小。 第二类永动机 是只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。因为第二类永动机效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。所以其不可能存在。 热力学第三定律 通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度（T=0K即-273.15℃）不可达到。 麦克斯韦假想，宇宙中存在这样一个妖精，它手持亿万级倍数显微镜，能够窥探到每个分子的一举一动。假如有一个完全与外界隔绝的箱子，中间用一块隔热的板子隔开，开出一个小门，而麦克斯韦妖就站在小门前。它负责观察每一个即将撞到小门的分子，如果是运动快的分子，就关闭小门不让分子过去，如果是运动慢的分子，就放它过去。 久而久之，箱子一边将出现越来越多的运动快的分子，其势能高，温度也高。因而原本温度平衡的箱子，就出现了一半热一半冷的现象。这显然违背热力学第二定律。 这时候有人就会有疑问，对整个系统来说，麦克斯韦妖好像并没有对箱子做功。所有运动的分子明明是自己撞到门上的，然后它只是事先知道了每个分子的状态，然后做个判断开关下门而已，甚至完全没有接触到分子。这导致了所有温度低的分子居然在自发地向温度高的环境移动。 但事实上，有科学家指出，开门关门需要消耗能量。话句话说，信息本身是携带能量的，探测分子温度需要能量。麦克斯韦妖无法毫无消耗地明确每个运动分子的信息。 实验中发现，麦克斯韦妖为了发现并分辨分子运动的快慢，消耗自身的能量要超过系统由此赚到的。因此，并没有违反热力学第二定律。 可见，熵增定律仍旧是无可置疑的事实。比如1L 90度水(A)和1L 10度水(B)融合，不会是A的温度增加而B的温度减小，因为如此的话，总体的熵减小。而如果A温度下降但B温度升高一点，那么总体的熵增加。 想象一下，有一个偌大的教室，里面坐着一排排整齐的小学生（我为什么要举例小学生？）。起初整个教室鸦雀无声，后来，班主任有事被校长叫走了。突然，后排的某个角落发出笔掉落的声音，同时另一边又响起哗哗翻书的声音。接着有叽叽喳喳的试探性响动出现，很快便得到了个别学者声带振动回应。于是夫起大呼，妇亦起大呼。两儿齐哭。俄而百千人大呼，百千儿哭，百千犬吠。中间力拉崩倒之声，火爆声，呼呼风声，百千齐作；又夹百千求救声，曳屋许许声，抢夺声，泼水声。凡所应有，无所不有......咦，为什么会有婴儿？犬吠？总之，教室里已经乱成一片。用老师的话来讲就是，在校门口都能听到这个教室的吵闹声。 若干分钟后，怒气冲冲的老师一个响转，进入教室，大发雷霆。台下众生，大惊失色，毛骨悚然，战战兢兢，汗不敢出...... 这时候，学过熵增定律的学生，就可以站起来侃侃而谈：孤立系统总是趋向于熵增，最终达到熵的最大状态，也就是系统的最混乱无序状态。事物的混乱程度越高，则其几率越大。同样的，在无外物（老师）干涉下，班级秩序自然而然会往混乱程度最大的方向发展。这已是无可辩驳的事实。 “所以，老师，您还要批评我们吗？"

麦克斯韦妖的作用是： 麦克斯韦妖（Maxwell's demon），是在物理学中假想的妖，能探测并控制单个分子的运动，于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。 当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐地假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。 特点： 可以简单的这样描述，一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击。 “门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。 以上内容参考 百度百科—麦克斯韦妖