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Demônio de Maxwell | É possível transformar informação em energia?

Demônio de Maxwell é uma criatura imaginária que o matemático James Clerk Maxwell criou para contradizer a segunda lei da termodinâmica.

Suponha que você tem uma caixa cheia de um gás em determinada temperatura. A velocidade média das moléculas irá variar conforme essa temperatura. Algumas das moléculas estarão se movimentando mais rápido do que a média e algumas se moverão mais devagar. Suponha-se que uma divisória é colocada entre o meio da caixa que separa os dois lados para a esquerda e para a direita, com uma porta que pode ser aberta e fechada pelo que veio a ser chamado de ” demônio de Maxwell “. O demônio de Maxwell abre a porta para permitir que apenas as moléculas mais rápidas a média possam fluir para o lado da câmara favorecido, e apenas as moléculas mais lentas do que a média para o outro lado, fazendo com que o lado favorecido aqueça gradualmente, enquanto o outro lado arrefece , diminuindo, assim, a entropia.

O demônio de MaxwellO Demônio de Maxwell apareceu pela primeira vez em uma carta Maxwell escreveu para Peter Guthrie Tait em 11 de dezembro 1867. Ele apareceu novamente em uma carta a John William Strutt, em 1871, antes de ser apresentado ao público em 1872, o livro de Maxwell em termodinâmica intitulado Theory of Heat.

A segunda lei da termodinâmica diz que a entropia de um sistema isolado nunca diminui, porque os sistemas isolados espontaneamente evoluem para o equilíbrio termodinâmico, o estado de entropia máxima. Equivalentemente, máquinas de movimento perpétuo do segundo tipo são impossíveis. Ela assegura (através de probabilidade estatística) que dois corpos de temperaturas diferentes, quando postos em contato um com o outro e isolados do resto do universo, evoluirão para um equilíbrio termodinâmico, em que ambos os corpos têm aproximadamente a mesma temperatura. A segunda lei também é expressa como a afirmação de que num sistema isolado, a entropia nunca diminui.

Mas o Demônio de Maxwell realmente é possível?

Vários físicos apresentaram cálculos que mostram que a segunda lei da termodinâmica não vai realmente ser violada, se uma análise mais completa é feita de todo o sistema, incluindo o Demônio de Maxwell. A essência do argumento da física é mostrar, por cálculo, que qualquer demônio deve “gerar” mais entropia e se agregar as moléculas do que poderia eliminar, pelo método descrito. Isto é, seria necessário mais trabalho termodinâmico para medir a velocidade das moléculas e permitir que eles passem seletivamente através da abertura entre A e B do que a quantidade de exergia adquirida pela diferença de temperatura causado por ele.

Uma das mais famosas respostas a esta pergunta foi sugerida em 1929 por Leo Szilard, e mais tarde por Léon Brillouin. Szilárd apontou que um demônio de Maxwell na vida real precisaria ter alguns meios de medir a velocidade molecular, e que o ato de aquisição de informações dispenderia um gasto de energia. Desde que o demônio e o gás estejam interagindo, devemos considerar a entropia total do gás e o demônio combinados. O gasto de energia pelo demônio irá causar um aumento na entropia, que será maior do que a redução da entropia do gás.

Em 1960, Rolf Landauer levanta uma exceção a este argumento. Ele percebeu que alguns processos de medição não precisariam aumentar a entropia termodinâmica, enquanto eles eram termodinamicamente reversíveis. Ele sugeriu que essas medidas “reversíveis” poderiam ser usadas para classificar as moléculas, violando a segunda lei. No entanto, devido à ligação entre a entropia termodinâmica e a entropia da informação, isto também significa que a medição registada não devem ser apagada. Em outras palavras, para determinar se deve deixar uma molécula passar, o demônio deve adquirir informações sobre o estado da molécula, ou descartá-lo ou armazená-lo.

Descartá-las leva a aumento imediato de entropia, mas o demônio de maxwell não pode armazená-lo indefinidamente. Em 1982, Bennett mostrou que, por mais que bem preparado, eventualmente, o demônio vai ficar sem espaço de armazenamento de informações e deve começar a apagar a informação que havia previamente coletado. A Eliminação das informações é um processo irreversível que termodinamicamente aumenta a entropia do sistema. Embora Bennett tinha chegado à mesma conclusão que o jornal de Szilard 1929, que um demônio Maxwell não poderia violar a segunda lei.

Experimentos do Demônio de Maxwell

Na edição da revista Nature fevereiro de 2007, David Leigh, professor da Universidade de Edimburgo, anunciou a criação de um dispositivo nano com base em experiência de pensamento de Feynman. O Dispositivo de Leigh é capaz de conduzir um sistema químico de equilíbrio , mas deve ser alimentado por uma fonte externa ( luz , neste caso) e, portanto, não viola termodinâmica.

Aplicações Práticas do Demônio de Maxwell

Versões da vida real do Demônio de Maxwell podem ocorrer, mas todos esses “demônios reais” têm os seus efeitos da entropia-abaixando devidamente em relação ao aumento da entropia em outra parte. Mecanismos moleculares de tamanho nanoscópicos não são mais encontrados apenas na biologia, pois eles também são o assunto do campo emergente da nanotecnologia. Armadilhas para um único átomo utilizados pelos físicos de partículas permitem que um experimentador possa controlar o estado das moléculas de uma forma semelhante ao Demônio de Maxwell.

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Escrito por George Cruz

Técnico em química, programador, graduando em engenharia mecânica, um amante do conhecimento, da boa música e da arte.

2 Comentários

  1. O que e um processo termodinâmico reversível? Der exemplo por favor

  2. Gilberto Fernandes Teixeira

    (Significa “potência”) é o ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume – e de outras grandezas termodinâmicas fundamentais em casos menos gerais – em sistemas físicos em escala macroscópica. Grosso modo, calor significa “energia” em trânsito, e dinâmica se relaciona com “movimento”. Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento.

    Exemplos de reversibilidade

    Em recipiente fechado, fundir o gelo e posteriormente voltar a congelá-lo.
    Em ambiente fechado, evaporar a água e voltar a condensá-la.
    Estirar, por compressão ou estiramento, uma mola numa pequena variação de comprimento (logo recupera-se a forma original da mola).
    Deformar, por compressão ou estiramento, um objeto de borracha ou outro elastômero numa pequena variação de comprimento e durante tempo curto (logo recupera-se a forma original do objeto)

    Exemplos de irreversibilidade:
    O que se segue é uma lista de eventos espontâneos que contribuem para a irreversibilidade dos processos.
    Transferência de calor através de uma diferença de temperatura finita Fricção
    A deformação plástica, por exemplo, ao estirar um objeto de borracha por longo período de tempo ou além do seu limite de elasticidade, de maneira que a forma original não se recupere mais
    Fluxo de corrente elétrica através de uma resistência
    Magnetização ou polarização com histerese
    Desenfreada expansão de fluidos
    Reações químicas espontâneas
    Envelhecer
    Cozinhar um alimento qualquer a base de amido, como uma massa
    Cozinhar um ovo. Fonte: Wikipedia

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Demônio de Maxwell é uma criatura imaginária que o matemático James Clerk Maxwell criou para contradizer a segunda lei da termodinâmica.