El demonio de Maxwell
El demonio de Maxwell o la paradoja del demonio de Maxwell es la idealización de un experimento ideado en 1867 por el físico escocés James Clerk Maxwell diseñado para ilustrar la segunda ley de la termodinámica. Esta ley prohíbe que entre dos cuerpos a diferente temperatura se pueda transmitir el calor del cuerpo frío al cuerpo caliente. La segunda ley también se expresa comúnmente afirmando: "En un sistema aislado la entropía nunca decrece". En la primera formulación el demonio de Maxwell sería una criatura capaz de actuar a nivel molecular seleccionando moléculas calientes y moléculas frías separándolas. El nombre "Demonio" proviene aparentemente de un juego de naipes solitario conocido en Gran Bretaña en el que se debían separar cartas rojas y negras de modo análogo a moléculas calientes y frías. El demonio de Maxwell aparece referenciado también como paradoja de Maxwell y es uno de los pilares de la filosofía de la física térmica y estadística.
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| De Dr Juzam - Trabajo propio, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=632997 |
Partimos inicialmente de la premisa de que el demonio es capaz de diferenciar entre moléculas de gas a diferente temperatura, y separarlas en función de dicho factor. Aprovechando este colaborador, podríamos construir una máquina térmica con un rendimiento del 100 %.
El diseño sería el siguiente: imaginemos una mezcla equimolar de dos gases "A" y "B", ambos con diferente capacidad calorífica específica (con lo cual es de suponer que, a iguales condiciones, las moléculas de uno de los dos se muevan a mayor velocidad que las del otro); contenida en un recipiente ideal en el que existe una pared intermedia que separa el recipiente en dos mitades, constituyendo un émbolo cuya biela sale del recipiente, y dotada de una "puerta" controlada por el demonio.
Si, por ejemplo, el calor específico de "A" es mayor que el de "B", el demonio se pondrá a trabajar, y en un lapso determinado habrá separado (por el simple método de abrir selectivamente la puerta a las moléculas más rápidas para que pasen al otro lado del recipiente) los dos gases, violando la segunda ley de la termodinámica —ha habido disminución de la entropía del sistema—. El ciclo de la máquina se completa abriendo la puerta, y dejando que "A" vuelva a mezclarse con "B" (el movimiento espontáneo para tender de nuevo al estado de entropía máxima del sistema originará un cambio del volumen del lado en el que se encuentra B), provocando así el movimiento de la pared y con ella del émbolo, produciendo así un trabajo (se supone que entre la pared central unida al émbolo y el resto del recipiente no hay fricción).
La entropía puede disminuir, por ejemplo si se enfría un gas, no existen irreversibilidades, y por tanto la producción de entropía es nula. Además, el calor sería negativo pues el sistema lo pierde; por tanto recordando la formulación matemática de la Segunda Ley (referencia requerida) obtenemos que el incremento de entropía es negativo, con lo cual la entropía decrece.
George Gamow (1904-1968) físico prominente que formó parte del equipo que formuló la teoría del origen del universo conocida como "La Gran Explosión" (Big Bang) describe en forma magistral el concepto de Entropía en el capítulo "El Demonio de Maxwell" de su libro El Breviario del Señor Tompkins.
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