Maxwell'scher Dämon- Ein Gedankenexperiment aus der Thermodynamik

Das ist ein Thread in dem über den Maxwellschen Dämon diskutiert werden soll.

Dabei handelt es sich um ein Gedankenexperiment vom Physiker James Clerk Maxwell
in dem der 2. Hauptsatz der Thermodynamik in Frage gestellt wurde.

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Das ursprüngliche Gedankenexperiment beschreibt einen Behälter, der durch eine Trennwand mit einer verschließbaren kleinen Öffnung geteilt wird. Beide Hälften enthalten Luft von zunächst gleicher Temperatur. Ein Wesen, das die Moleküle „sehen“ kann – die Bezeichnung Dämon erhielt es erst später – öffnet und schließt die Verbindungsöffnung so, dass sich die schnellen Moleküle in der einen und die langsamen Moleküle in der anderen Hälfte des Behälters sammeln.

Unter idealen Bedingungen muss zum Öffnen und Schließen der Öffnung in der Trennwand keine Energie aufgewendet werden. Trotzdem könnte man mit der entstehenden Temperaturdifferenz z.B. eine Wärmekraftmaschine betreiben. Man würde damit Arbeit verrichten und hätte gleichzeitig gegenüber dem Ausgangszustand letztlich keine weitere Veränderung außer einer Verringerung der Temperatur im Behälter. Damit wäre der zweite Hauptsatz der Thermodynamik („Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts weiteres leistet als die Abkühlung eines Körpers und das Anheben einer Last“) verletzt und man hätte ein Perpetuum Mobile zweiter Art .''
(Zitat aus Wikipedia: Maxwell-Dämon)

Diskussionspunkte: Lassen sich die Schlüsse des Gedankenexperimentes durch Versuche bestätigen?
Weißt das Gedankenexperiment Fehler bzw Ungenauigkeiten auf?
(und mögliche Umsetzungsversuche)


viel Spaß beim Diskutieren!

Es ist deswegen ein Gedankenexperiment weil man es eben nicht so durchführen kann, die Idee dahinter ist allerdings sehr Interessant^^
Wäre auf jedenfall interessant mal eine Maschine zu sehen die allein durch diesen Prozess angetrieben wird. Aber ob es je dazu kommt bleibt unklar.
BtW ich hätte auch gerne eine Katze die sowohl tot als auch lebendig ist, nur schade das ich die nie zu Gesicht bekommen würde :(

@psycomind Ja ein Versuch ist schwer machbar, aber nicht unmöglich.

psycomind schrieb:BtW ich hätte auch gerne eine Katze die sowohl tot als auch lebendig ist, nur schade das ich die nie zu Gesicht bekommen würde

Hast du ja, so lange du die ,,Black-Box'' nicht aufmachst.

@cerium
Das ist an in etwa das selbe wie mit Weinachtsgeschenken was die Katze betrifft o.o

Naja stellt sich nur die Frage ob das Experiment dann auch so verläuft wie erhofft und dadurch der 2. Hauptsatz am ende widerlegt wird.

@psycomind Ich glaube nciht,aber das wär ein echt interessantes Experiment.

@cerium
In der Thermodynamik ist es sogar möglich, dass soetwas ganz von allein passiert. Es ist auch möglichk, dass sich alle Atome in einem Wasserbehälter plötzlich nach oben bewegen und das Wasser springt. Man müsste nur sehr lange darauf warten.

Mir fällt zu dem Gedankenexperiment ein reales Experiment ein, in dem man versucht hat, negative Energie zu Isolieren. Man hat einen Impuls losgeschickt, der so aussah:


Diesen Impuls hat man versucht in der Mitte zu Trennen, indem man eine Fall gebaut hat, die sich geschlossen hat, wenn der Impuls zur hälfte durch war. Aber anstatt, dass man einen Positiven und einen Negativen Puls hatte, wurde beim Schließen Energie frei, so dass man nachher so einen Puls, wie oben hatte plus zusätzlich den halben positiven Puls, den man "abgeschnitten" hatte.

Was ich damit aussagen will ist, dass ein Gedankenexperiment niemals alle Faktoren und Prozesse berücksichtigen kann. Genau so wird es niemals eine Maschine geben, die die Atome nach dem Impuls filtern kann - möglicherweise gibts da Probleme mit der Unbestimmtheitsrelation.

Naja, naja, naja...hier werden einige Dinge nicht bedacht:

1. Die Wandungen des Behälters werden in thermischer Wechselwirkung zum Inhalt stehen. Das bedeutet, dass auch die Wandungen die Durchschittstemperatur der Gases annehmen werden.

Würde man den Behälter teilen und die Gasmoleküle nach schnell und langsam separieren und somit einen warmen und einen kalten Bereich schaffen, so würde die Trennwand diese Separation wieder ausgleichen.

2. Hinzu kommt, dass der Behälter niemals isoliert zu betrachten wäre. Der Behälter ist nämlich umgeben von einem äußeren System und auch hier käme es zu einer thermischen Wechselwirkung. Im Idealfall wäre das äußere System ein Vakuum, aber auch hierbei gibt es kein Entrinnen! Die Bewegungsenergie der Moleküle würde über die Wandungen des Behälters als Wärmestrahlung nauch Aussen abgeführt werden.

3. Fazit: Maxwell hätte mal eine Nacht über seinen Unsinn schlafen sollen.

@GilgaX
Da das ein Gedankenexperiment ist kann man als Bedingung auch einfach elastische Stöße zwischen Teilchen und Wand festlegen. Dein Einwand ist damit hinfällig, das Grundproblem bleibt aber bestehen.

Wenn man es tatsächlich umsetzen wollte gibt es durchaus Möglichkeiten die Wärmeleitung zu minimieren, ob das weit genug geht um den Effekt zu beobachten, lässt sich nur abschätzen wenn man das Gedankenexperiment hinreichend analysiert.

@GilgaX
Nehmen wir an, dass es sich um ein Elektronengas handelt und, dass diese in einer Potentialfalle gefangen sind. Dann umgeben wir das Ganze (natürlich tun wir das auch zwischen den beiden Kammern) mit einem Reflektierenden Material. Dann wählen wir die Kammern noch sehr Groß, so dass die Möglichkeit der Wellen im Inneren keine Rolle spielt. Hab ich was vergessen? Ach ja und wir nehmen eine relativ geringe Dichte, damit der Druck keine sonderliche Rolle spielt.

Zotteltier schrieb:Da das ein Gedankenexperiment ist kann man als Bedingung auch einfach elastische Stöße zwischen Teilchen und Wand festlegen

Das kannst du bei einer Computersimulation so machen, in der Realität aber wirst du die Wechselwirkung nicht los. In der Realität aber wird die Entropie wachsen..

Heizenberch schrieb:Nehmen wir an, dass es sich um ein Elektronengas handelt und, dass diese in einer Potentialfalle gefangen sind. Dann umgeben wir das Ganze (natürlich tun wir das auch zwischen den beiden Kammern) mit einem Reflektierenden Material. Dann wählen wir die Kammern noch sehr Groß, so dass die Möglichkeit der Wellen im Inneren keine Rolle spielt. Hab ich was vergessen? Ach ja und wir nehmen eine relativ geringe Dichte, damit der Druck keine sonderliche Rolle spielt.

Potentialfalle? Wenn du von einer magnetischen Falle sprichst, wird hier Energie über die Magnetfelder abgeführt. Daneben hinkt der Vergleich mit Elektronen, weil diese, mit jeder Bewegung, Energie abstrahlen. Würde das Experiment einen weit entfernt leeren Stück Welraum stattfinden, so würden die Elektronen in der Falle zunehmend abkühlen, wegen der EM-Abstrahlung aufgrund ihrer Bewegung, und jeder Quant EM-Strahlung klaut dem Elektron etwas seiner Energie...

Heizenberch schrieb:Potentialfalle?

Elektrisches Feld.

GilgaX schrieb:Daneben hinkt der Vergleich mit Elektronen, weil diese, mit jeder Bewegung, Energie abstrahlen.

Genau wie neutrale Teilchen auch Energie abstrahlen (Wärmestrahlung).

Aber GilgaX, du verstehst garnicht um was es überhaupt bei diesem Gedankenexperiment geht. Es gibt eine gewisse Wahrscheinlichkeitsverteilung für Geschwindigkeiten in einem Gas. Wenn man die jetzt durch eine Schranke sortiert und die Summe der Energien, die die Schranke braucht, die von den Teilchen abgestrahlt wird, usw. geringer ist, als der Energiefluss, der durch die Sortierung gegeben wird, dann hebelt man die Thermodynamik aus. Dass das unrealistisch oder sehr schwer umzusetzen ist, wissen wir alle.

Ach ja, bewegte Ladungen strahlen bei Beschleunigung ;)

Heizenberch schrieb:Aber GilgaX, du verstehst garnicht um was es überhaupt bei diesem Gedankenexperiment geht. Es gibt eine gewisse Wahrscheinlichkeitsverteilung für Geschwindigkeiten in einem Gas

...die darauf basiert, dass die Gasmoleküle einer Dynamik unterworfen sind, stetig kollidieren und abstoßen und somit einen Verteilungsgradienten ausbilden, begrenzt durch die Wandungen, die ebenfalls thermodynamisch mit dem Gas in Wechselwirkung stehen.

Verlässt nun eines dieser Teilchen den Schwarm, so ist richtig, dass Wärme abgezogen wird. Aber da dieses Teilchen wiederung gefangen wird, gibt es bei den nächsten Kollision mit der Wandung seine Energie wieder ab. Da kann sich also nichts aufkonzentrieren.

Das Gedankenfehler liegt darin, dass das Teilchen, welches die Energie abführt, nicht gefangen werden darf.

Heizenberch schrieb:Ach ja, bewegte Ladungen strahlen bei Beschleunigung

Ein Elektronengas, in einer Falle, wird wird sicher durch Kollisionen mit seinen Nachbarn stetig gebremst und beschleunigt = Strahlung ;)

@GilgaX
Es geht in erster Linie um die grundsätzliche Frage ob dieses Gedankenexperiment dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik widerspricht. Dass das System in Realitas dem Ausgleich wieder entgegenstrebt steht ausser Frage.

Hierbei ist vor allem von Interesse was bei dem "Dämon" passiert, insbesonder ob sein Eingreifen vielleicht selbst wieder Entropie erzeugt, oder ob ein entsprechender Mechanismus überhaupt funktionieren kann ohne mit den Gasteilchen wechselzuwirken.

GilgaX schrieb:Verlässt nun eines dieser Teilchen den Schwarm, so ist richtig, dass Wärme abgezogen wird. Aber da dieses Teilchen wiederung gefangen wird, gibt es bei den nächsten Kollision mit der Wandung seine Energie wieder ab. Da kann sich also nichts aufkonzentrieren.

Ich sags doch. Du hast es nicht kappiert. Lies dir das Gedankenexperiment nochmal ganz in Ruhe durch :D

GilgaX schrieb:Ein Elektronengas, in einer Falle, wird wird sicher durch Kollisionen mit seinen Nachbarn stetig gebremst und beschleunigt = Strahlung ;)

Ich habe niemals in Frage gestellt, dass Energie in Strahlung umgewandelt wird. Ich habe nur dein Halbwissen korrigiert.

@Zotteltier
@Heizenberch

Ich habe doch erklärt, dass mir bereits bei der Fragestellung die Antwort sofort klar war. Deswegen muss ich mir über das "Gedanken"Experiment weiter keine Gedanken machen.

Schaut mal: Wenn mir jemand folgendes vorlegt und mich bitten darüber nachzudenken..

a²-(2^a+25b)² + b²*527ab/0

Dann denke ich nach spätestens einer Sekunde darüber nicht mehr nach, weil ich das Ergebnis kenne.

@GilgaX

Der Maxwell'sche Dämon ist nicht das einzige Gedanken - Experiment zum Thema aushebeln des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Dazu gehören
Brownesche Motoren
Hysteresefreie Gleichrichter, die thermisches Rauschen gleichrichten und aufsummieren
Nano - Piezo - Kristalle
und in gewissem Sinn auch "Osmose - Motoren" und
"Diffusions - Düsenantriebe" (Erfindung von mir, glaube ich, funktioniert aber auch nicht :D )

Leider funktioniert keines davon :(

@ShortVisit
Vielleicht sollte man versuchen den Zeitpfeil umzudrehen. Dann wird es mit Sicherheit klappen.
Aber solange meine drei Freunde, En, Tro und Pie, an einem Strang ziehen, wird das Spielchen nicht funktionieren ;)

@cerium
die katze in der box ist nicht halb tot oder lebendig, da sie messungen ausgesetzt ist, ist ihr zustand eindeutig definiert, auch wenn man sie nicht sieht!

@GilgaX

GilgaX schrieb:Aber solange meine drei Freunde, En, Tro und Pie, an einem Strang ziehen, wird das Spielchen nicht funktionieren ;)

Mit solchen Spielverderbern bist Du befreundet? Schande über Dich. Und M. T. Keshe wird Dir und deinen drei Freunden schon zeigen, was Sache ist :D :D :D

@GilgaX
Wie ich schon schrieb beschreibt Dein Einwand nur die Umsetzungsprobleme eines realen Systems, das idealisierte System des Gedankenexperimentes bleibt davon unberührt und die Ausgangsfragestellung bleibt bestehen.

Das Gedankenexperiment will genau das in Frage stellen was Du hier wie ein Thermodynamikpriester runterbetest. ;)