Почему невозможно создать вечный двигатель первого и второго рода — объясните с использованием микроcкопических примеров (термальной флуктуации, необратимых процессов, обмена с окружением) и укажите, какие предположения нарушаются в типичных «перекрестных» схемах вечного двигателя?

6 Окт в 10:40
6 +1
0
Ответы
1

Коротко: вечные двигатели первого рода ПММ‑1ПММ‑1ПММ‑1 ломают первый закон энергиюнельзясоздатьизничегоэнергию нельзя создать из ничегоэнергиюнельзясоздатьизничего, вечные двигатели второго рода ПММ‑2ПММ‑2ПММ‑2 ломают второй закон нельзяциклическипревращатьтеплотуизединственноготепловогорезервуаравполезнуюработубездругихизмененийнельзя циклически превращать теплоту из единственного теплового резервуара в полезную работу без других измененийнельзяциклическипревращатьтеплотуизединственноготепловогорезервуаравполезнуюработубездругихизменений. Ниже даю объяснение на микроскопическом уровне, с примерами и перечислением типичных ошибочных предположений в «перекрёстных» схемах.

1) Почему нельзя ПММ‑1 нарушениепервогозаконанарушение первого законанарушениепервогозакона

На микроскопическом уровне энергия консервативна кинетическая+потенциальная+внутренняякинетическая + потенциальная + внутренняякинетическая+потенциальная+внутренняя. Любая кажущаяся генерация работы за цикл означает, что суммарная внутренняя энергия системы и окружающей среды уменьшилась без соответствующего источника — это невозможно.Пример: схема с «трением‑бесплатым» колесом, якобы накапливающим кинетическую энергию от тепловых колебаний. На самом деле любые механические связи и приводы имеют взаимодействие с микроскопическими степенями свободы атомырешётки,электронныефоныит.д.атомы решётки, электронные фоны и т.д.атомырешётки,электронныефоныит.д.: при попытке извлечь работу часть энергии уходит в возбуждение этих степеней свободы фононы,дефектыфононы, дефектыфононы,дефекты и в тепло. Если устройство «возвращается в начальное состояние», суммарная энергия окружающей среды уменьшена ровно на ту работу, которую получили — источник этой работы должен был быть указан.

2) Почему нельзя ПММ‑2 нарушениевторогозаконанарушение второго законанарушениевторогозакона — микроскопические объяснения

Тепловые флуктуации и детальное равновесие. В равновесии переходные скорости между микросостояниями удовлетворяют детальному балансу: для пар состояний i↔j r_{i→j} pi = r{j→i} p_j. Это означает, что при отсутствии внешнего градиента нет направленного потока, который можно было бы «выпрямить» на постоянную работу.Пример Фейнмановский«ратар‑и‑зубчатка»Фейнмановский «ратар‑и‑зубчатка»Фейнмановский«ратаризубчатка». На макроуровне кажется, что асимметричная зубчатка + фиксирующий храповик даёт однонаправленный момент от тепловых флуктуаций. Но храповик и его пружина тоже находятся при той же температуре и испытывают флуктуации: они сами иногда отпускают зубчатку. Когда учтены флуктуации храповика, средний момент равен нулю при одинаковой температуре обеих частей — нет чистого извлечения работы.Флюктуационно‑диссипативные соотношения. Те же взаимодействия, которые создают шум флуктуациифлуктуациифлуктуации, создают диссипацию трениетрениетрение. Флуктуация и диссипация связаны флуктуационно‑диссипативнаятеоремафлуктуационно‑диссипативная теоремафлуктуационнодиссипативнаятеорема: уменьшение потерь без увеличения флуктуаций невозможно, поэтому «выпрямитель шума» теряет энергию на свою диссипацию не меньше, чем потенциально извлек бы.Пасcивность тепловых состояний. Термическое состояние ГиббсовскоеГиббсовскоеГиббсовское — пассивно: никакими циклическими унитарнымиунитарнымиунитарными операциями из него нельзя извлечь положительную работу. Только неравновесное состояние градиентытемператур,химическихпотенциалов,внешняясилаградиенты температур, химических потенциалов, внешняя силаградиентытемператур,химическихпотенциалов,внешняясила даёт ресурс для работы.Информационные ограничения МаксвелловдемонМаксвеллов демонМаксвелловдемон. Демон, который «сортирует» частицы по скорости, чтобы получить работу, на микроуровне должен измерять и затем стирать память. Стирание информации влечёт минимум kT ln 2 энтропии на бит принципЛандауэрапринцип ЛандауэрапринципЛандауэра, который компенсирует выигрыш и не даёт чистой работы из одного резервуара.

3) Примеры аппаратных попыток «выпрямить» шум и почему они не работают

Ректификация теплового шума в электрических цепях: резистор при температуре T даёт джонсоновский шум. Любая идеальная «диодная» сеть, подключённая к одному резистору, сама является тепловым объектом и вносит обратный шум / потери. При равновесии никакой постоянный ток не установится — из-за детального баланса и обратной реакции диодов/схем.Попытки использовать молекулярные «диоды» или асимметричные потенциалы для извлечения работы от броуновской частицы без двух температур терпят неудачу: скорости перехода через барьер одинаковы в среднем в обе стороны при одинаковых температурах.

4) Необратимые процессы и «потеря» информации

На микроскопическом уровне уравнения движения Ньютон/ШредингерНьютон/ШредингерНьютон/Шредингер обратимы, но при усреднении по огромному числу степеней свободы и при потере сведений о фазах появляется эффективная необратимость и рост энтропии коэрцитивныйпроцесссмешиваниямикросостоянийкоэрцитивный процесс смешивания микросостоянийкоэрцитивныйпроцесссмешиваниямикросостояний. Это означает, что макроскопические циклы, пытающиеся вернуть аппаратуру в исходное состояние, встретят необратимые потери теплотеплотепло — источник "бесплатной" работы исчезает.Конкретные микропроцессы — неупругие столкновения, фонон‑электронное рассеяние, ангармонические взаимодействия — перераспределяют энергию в тепло, из которого нельзя извлечь её обратно полностью.

5) Какие предположения типично нарушаются в «перекрёстных» схемах вечного двигателя

Игнорирование тепловых флуктуаций управляющих элементов храповиков,диодов,измерительныхустройствхраповиков, диодов, измерительных устройствхраповиков,диодов,измерительныхустройств. Часто считается, что только «полезная» часть флуктуаций есть, а корректирующие элементы статичны — это неверно при T>0.Представление о наличии идеальных безпотерь бездиссипативныхбездиссипативныхбездиссипативных механизмов. На микроскопическом уровне любое управление сопряжено с диссипацией.Предположение, что можно делать измерения/сортировку без затрат энергии и энтропии игнорированиестоимостистиранияинформации,обратнойреакциинаизмерениеигнорирование стоимости стирания информации, обратной реакции на измерениеигнорированиестоимостистиранияинформации,обратнойреакциинаизмерение.Игнорирование обратной связи и обратного потока энергии от элементов, которые «выпрямляют» флуктуации: любой элемент, который «фиксирует» систему, сам подвержен шуму и вносит ответную флуктуацию.Предположение, что термодинамические резервуары остаются неизменными при длительном извлечении работы. На практике, если вы извлекаете энергию, температура или химический потенциал резервуара изменятся, и для поддержания процесса требуется внешний ресурс.Нарушение детального баланса требуетсяисточникнеравновесности:дварезервуарасразнымитемпературами/потенциаламииливнешняяработатребуется источник неравновесности: два резервуара с разными температурами/потенциалами или внешняя работатребуетсяисточникнеравновесности:дварезервуарасразнымитемпературами/потенциаламииливнешняяработа — многие схемы как будто подразумевают его, но реально не создают.

6) Короткая итоговая формулировка

ПММ‑1 невозможен потому, что нарушает сохранение энергии: источник работы не указан на микроскопическом уровне.ПММ‑2 невозможен потому, что нарушает второй закон: термальное равновесие и пассивность термических состояний не позволяют циклически превращать тепло единственного резервуара в работу без дополнительных затрат энтропиядолжнарастиэнтропия должна растиэнтропиядолжнарасти. Микроскопические флуктуации, флуктуационно‑диссипативные соотношения, детальное равновесие и информационные затраты обеспечивают, что все наивные «выпрямители» шума окупаются потерями не меньше, чем потенциальный выигрыш.

Если хотите, могу разобрать конкретную «перекрёстную» схему описаниеустройства,рисунок/принципописание устройства, рисунок/принципописаниеустройства,рисунок/принцип и показать, на каком именно шаге и почему нарушается одно из вышеуказанных предположений.

6 Окт в 11:30
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир