عفريت ماكسويل ونقض القانون الثاني للديناميكا الحرارية

عفريت ماكسويل هو مخلوق خيالي أوجده عالم الرياضيات جيمس كليرك ماكسويل (James Clerk Maxwell) لنقض القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

لنفترض أن لدينا صندوق مليء بالغاز في درجة حرارة محددة وهذا يعني أن معدل سرعة الجسيمات هو قيمة معينة بناء على درجة الحرارة، بعض الجسيمات سيكون أسرع وبعضها أبطأ من المعدل، لنفترض وجود حاجز يقسم الصندوق إلى جانب أيمن وجانب أيسر، كلا الجانبين الآن مليء بالغاز بنفس درجة الحرارة، تخيل ماكسويل وجود باب كالفخ بحجم جزيء في الحاجز وعلى هذا الباب يقف مخلوقه الصغير ليراقب الجزيئات، بينما يقترب جزيء أسرع من المعدل من الباب يفتح الباب ليسمح له بالانتقال إلى الجانب الأيسر وإذا كان الجزيء أبطأ من المعدل يبقيه في الجانب الأيمن، وبعد مجموعة العمليات سينتهي الأمر في الصندوق بوجود كل الجزيئات الأسرع من المعدل في الجانب الأيسر وكل الجزيئات الأبطأ من المعدل في الجانب الأيمن، فيصبح الصندوق ساخن على اليسار وبارد على اليمين وبهذه الحال يمكننا استعمال هذا الفارق في الحرارة لتشغيل محرك حراري عبر السماح للحرارة بالتدفق من الجانب الساخن إلى الجانب البارد.

وبإمكان العفريت القيام بعمل آخر وهو فتح الباب فقط عندما يقترب جزيء من الجانب الأيمن وهذا سيؤدي إلى انتقال كل الجزيئات إلى الجانب الأيسر، مرة أخرى يمكن لهذه العملية أن تشغل المحرك، هذه المرة سنضع مكبسًا في الحاجز (المكبس هو قرص أو أسطوانة قصيرة داخل أنبوب يتحرك صعودًا ونزولًا مواجهًا السائل أو الغاز يستخدم في محرك الاحتراق الداخلي لاستخلاص الحركة) مما يسمح للغاز بالتدفق في غرفة المكبس ما يؤدي لدفع قضيب وإنتاج عمل ميكانيكي مفيد (لا يصحبه فقد في الطاقة أو الحرارة).

تبدو هذه الحالة الوهمية مناقضة للقانون الثاني من قوانين الديناميكا الحرارية ولشرح التناقض أشار العلماء أنه لتحقيق مثل هذا الاحتمال فإن العفريت بحاجة لاستخدام الطاقة لمراقبة الجزيئات (في شكل فوتونات على سبيل المثال).

والعفريت نفسه بالإضافة لآلية عمل الباب سيحصل على إنتروبيا أو فوضى في النظام (Entropy) من الغاز عند تحريكه للباب وبالتالي فإن الإنتروبيا الكلية للنظام ما تزال في تزايد.

يحاول العفريت خلق زيادة في الطاقة الحرارية من النظام، وبالمقابل قلّل عشوائية النظام (من خلال توجيه أوامر للجزيئات وفقًا لقاعدة معينة) الأمر الذي يقلل الإنتروبيا، ولم يتم العثور على مثل هذا الانتهاك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

تذكير: طاقة حرارية أقل تؤدي للمزيد من العشوائية والمزيد من الإنتروبيا (القانون الثاني للديناميكا الحرارية)