termodinamica

NOTAS SOBRE EL DEMONIO DE MAXWELL

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Notas sobre el Demonio de Maxwell
Jaime Romero, 10 de Diciembre de 2004
Universidad de Chile, Facultad de Ciencias, Departamento de F´
ısica, Termodin´mica
a
Resumen—El proposito de este trabajo es entregar una visi´n general sobre el Demonio de
o
Maxwell. Primero se ver´n algunas consideraciones
a
hist´ricas, sus caracter´
o
ısticas, comotrabaja, etc.
Luego las implicancias de las leyes de la termodin´mica en su funcionamiento. Tambi´n se explia
e
car´ el modelo propuesto por Szilard y como salva
a
a la segunda ley, luego el exorcismo practicado por
Brillouin quien asume que se usan se˜ ales de luz
n
como veh´
ıculo para que el demonio reuna informaci´n y que esto produce un aumento en la entrop´
o
ıa,
por lo que no seviola la segunda ley. Despues se
revisar´ la soluci´n propuesta por Bennett, basada
a
o
en el principio de Landauer, donde el hecho clave
que salva a la segunda ley es borrar la memoria
del demonio. Finalmente se mencionar´ una situaa
ci´n, en el campo de la mec´nica cu´ntica, donde
o
a
a
el Principio de Landauer y la segunda ley son violadas. Para un tratamiento m´s completo de este
atema se recomienda Maxwell’s Demon 2 [1].

´
I. Introduccion

L

A Segunda Ley de la Termodin´mica establea
ce que para disminuir la entrop´ de un sisıa
tema, un reservorio debe “pagar” por esa disminuci´n y aumentar su propia entrop´ Esto,
o
ıa.
por ejemplo, imposibilita la producci´n infinita de
o
energ´ o trabajo. Sin embargo, uno de los fundaıa
dores de la termodin´mica, Maxwell,ide´ un sima
o
ple e ingenioso “gedankenexperiment”: El llamado
Demonio de Maxwell. ¿ Su objetivo ? Ilustrar limitaciones de la segunda ley. Desde su creaci´n vao
rias teorias han tratado de explicar donde est´ la
a
falla en el funcionamiento del demonio, sali´ndose
e
del ´mbito de la f´
a
ısica y abarcando temas como
teor´ de informaci´n, computaci´n, cibern´tica y
ıa
o
o
eeconom´ Se ha dado soluci´n al problema del deıa.
o
monio en 3 ocasiones, las primeras 2 fueron relativamente parecidas, mientras que la ultima (y m´s
´
a
aceptada) introdujo conceptos totalmente distintos.
II. Sobre el Demonio de Maxwell
El demonio apareci´ por primera vez en 1871, en
o
el libro “Theory of Heat”, de J.C.Maxwell, bajo
la secci´n “Limitaci´n de la Segunda Ley de la
o
oTermodin´mica” , como un experimento pensado
a
para ilustrar las limitaciones de la segunda ley,
enfatizando que es un principio estad´
ıstico, que se
cumple casi siempre en un sistema compuesto de
muchas particulas. El experimento concebido por
Maxwell se puede resumir asi:
Supongamos que tenemos un recipiente con muchas mol´culas, a distintas velocidades, moviendoe
se en todas direcciones.Ahora supongamos que dividimos el recipiente mediante una pared delgada
que tiene un peque˜o agujero en su interior y que
n
hay un ser, diminuto, que abre y cierra el agujero,
dejando pasar las moleculas m´s r´pidas hacia un
aa
lado y las m´s lentas hacia el otro. Haciendo s´lo
a
o
esto, ´l lograr´ elevar la temperatura de un lado
e
a
y bajar la del otro, sin efectuar trabajo, violandoas´ la segunda ley de la termodin´mica.
ı
a
El nombre de “Demonio de Maxwell” fue puesto
por William Thomson en 1874 [2] en su art´
ıculo
Kinetic Theory of the Dissipation of Energy.
Cuando Maxwell le dio vida a su demonio no
fue muy espec´
ıfico sobre como ´ste deb´ operar
e
ıa
ni cuales debian ser sus objeticos espec´
ıficos, de
aqu´ que salieran 2 tipos de demonios y varios
ım´todos mediante los cuales pod´ detectar a las
e
ıa
mol´culas que deb´ dejar o no pasar.
e
ıa
El demonio original es un demonio de temperatura, que act´a en un sistema aislado termicau
mente y que crea una diferencia de temperaturas
sin efectuar trabajo. Otro tipo de demonio es el de
presi´n, que es m´s simple y que solo deja pasar
o
a
hacia un lado u otro a las part´
ıculas que van...