Forskere beskriver hvordan information kan holde køleskabet koldt
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Forskere beskriver hvordan information kan holde køleskabet koldt

Det er ikke kun energi, der kan holde systemer kolde, når de befinder sig i varme omgivelser. Det samme kan information.

Forskere fra University of Maryland har i en ny artikel beskrevet, hvorledes dette kan lade sig gøre med en enhed, der skriver information og derved forøger entropien i et hukommelsesregister. Kan man omsætte tankeeksperimentet til praksis, kan man lave et køleskab, som ikke drives af energi, men af entropi.

Den informationsskrivende enhed er en variant af Maxwells dæmon, som indgår i et af fysikkens mest berømte tankeeksperimenter:

I 1870 beskrev James Clerk Maxwell en intelligent dæmon, som var i stand til at skille molekylerne i en gas. Ved at måle molekylernes hastighed og styre åbning og lukning af en port i en væg mellem to rum kunne dæmonen samle de hurtige molekyler i det ene rum og de langsomme molekyler i et andet rum. På den måde ville der blive skabt en temperaturforskel – i princippet uden at bruge energi.

Når hurtige og langsomme molekyler er adskilt fra hinanden, er der mere orden end i udgangspunktet, hvor de alle er blandet sammen. Mere præcist udtrykt er entropien mindre. Det er i modstrid med termodynamikkens anden hovedsætning, der siger, at i lukkede systemer vil entropien enten være konstant eller øges, som tiden går.

I perioden fra slutningen af 1920’erne til midten af 1980’erne viste en række videnskabsmænd (Szilard, Shannon, Landauer, Bennett) dog, at der er en sammenhæng mellem entropi og information.

Maxwells dæmon skal holde styr på mange molekylers hastigheder. Da dæmonen ikke har uendelig stor intern hukommelse, skal den en gang imellem slette sin hukommelse. Det kræver energitilførsel udefra. Maxwells antagelse om, at dæmonen og molekylerne udgjorde et lukket system, var altså ikke korrekt. Den tilsyneladende modstrid mellem dæmonen og termodynamikkens anden hovedsætning forsvandt.

Dæmon med to energitilstande

Nu lancerer Christopher Jarzynski sammen med sin ph.d.-studerende Dibyendu Mandal og en tidligere medarbejder, Haitao Quan, en variant af dæmonen, som kan vekselvirke med en strøm af bits og et informationslager.

Dæmonen har to energitilstande, og den kan udveksle energi med det varme reservoir ved at springe mellem de to tilstande.

Desuden kan dæmonen vekselvirke med en bitstrøm, som i en jævn hastighed tilføres dæmonen og er i kontakt med dæmonen i et kortvarigt tidsrum. De to bittilstande 0 og 1 har samme energi.

Jarzynski indfører nu den regel, at hvis bitten er 0, og dæmonen er i sin lave energitilstand, så skifter de begge samtidig til henholdsvis tilstand 1 og høj energitilstand. Denne ændring er ledsaget af en energiudveksling med det kolde reservoir.

Hvis den indkommende bit er 0, og den stadig har værdien 0, når den forlader dæmonen, betyder det, at der har været lige mange skift 0/lav til 1/høj, som skift fra 1/høj til 0/lav – og dermed har der ikke netto været absorption af energi fra det kolde reservoir. Hvis udgangsbitten er ændret til 1, har der derimod været én netto absorption af energi fra det kolde reservoir til dæmonen.

Ensrettet varmeoverførsel

Systemet ensretter altså varmeoverførsel fra det kolde reservoir til dæmonen.

Da dæmonen også udveksler energi med det varme reservoir, vil der i det lange løb overføres varme fra det kolde reservoir til det varme reservoir på bekostning af, at dæmonen har skrevet ny information i bitstrømmen.

Forskerne analyserer i deres artikel mere indgående situationen med en bitstrøm, der både indeholder nuller og ettaller, og de beregner, hvor stort overskud af nuller i forhold til ettaller, der skal være for at overføre energi fra det kolde reservoir til det varme reservoir ved en bestemt temperaturforskel mellem de to reservoirer.

Forskerne bemærker, at deres system er det første, der kan generere en energitransport mod en temperaturgradient på samme måde, som Maxwell oprindeligt havde betragtet, men med den intelligente dæmon erstattet af en ’dum’ enhed.

Det er ikke åbenbart, om denne idé kan realiseres i praksis, mener Mark Raizen fra University of Texas, som dog anerkendende bemærker:

»Vores forståelser af Maxwells dæmon er nu meget bedre.«

Sammenhængen mellem information, entropi og energi er i øvrigt interessant i andre situationer. Dataloger anvender disse i forbindelse med analyser af reversible computere, som ikke vil lide af de samme varmetab, som er et alvorligt problem ved de hurtigste computerchips i dag.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Så mangler vi bare, at nogle finder en informationsbølge uden energi.

En sådan bølge, vil ikke kunne tilføre energi, men muliggøre at orden opstår. Indtil nu, er vist ikke opdaget rene informationsbølger, uden samtidigt tilknytte energi.

Mon de eksisterer?

Mest smart er, hvis en sådan bølge kunne bruges til at skabe orden - f.eks. køle vand.

Vi kunne forestille os, at bølgerne kan interferere, og rammer vand - hvorved noget af vandet bliver varmere, og andet koldere. Helt uden, at der tilføres energi til vandet.

Elværkerne kunne sende information ud, og behøver ikke at sende energi ud. Vi kan så hente energien udenfor, og bruge den til at stege pandekager, alene ved brug af information.

Entropibølger (kaosbølger) uden tilknyttet energi, er nemmere at forestille sig. Men de er ikke spor interessante. For de vil fjerne enhver orden, og fungere som katalysator, der vender orden til kaos, og i princippet fjerner enhver kvalitet. Overfor kaosbølger vil en absorber være mere interessant.

  • 2
  • 3

Forudsætningen for et sådan "skillefilter" er jo, så vidt jeg forstår det, at man på en eller anden måde sorterer i molekylerne. Det angives at sorteringen foregår ved at åbne op for "huller" som tillader passage af molekyler med en hastighed større end en bestemt treshold.
Man udnytter altså at molekylerne selv rammer hullet og passerer igennem ud fra tilfældigheds principper.
Det er sikkert fint nok. Men det forekommer mig at ved en ophobning af hurtige molekyler på den ene side af væggen, vil der opstå et forøget tryk på denne væg, og dermed filteret og dets åbninger, som vil spærre for at andre hurtige molekyler kan komme igennem, med mindre man aktivt tilfører energi for at holde "højtryks" molekylerne i skak, og dermed skabe samme tryk på begge side af filteret.

Har jeg misforstået et eller andet?

mvh
Kim Madsen
kbm@kbmitexperts.dk

  • 2
  • 0

... det forekommer mig at ved en ophobning af hurtige molekyler på den ene side af væggen, vil der opstå et forøget tryk på denne væg, og dermed filteret og dets åbninger, som vil spærre for at andre hurtige molekyler kan komme igennem, med mindre man aktivt tilfører energi for at holde "højtryks" molekylerne i skak, og dermed skabe samme tryk på begge side af filteret.

Har jeg misforstået et eller andet?

Ja. Tryk er et makroskopisk resultat af, at mange molekyler rammer væggen. Hvis du kigger på en skala hvor du kan se hvert enkelt sammenstød mellem et molekyle og væg, så er der i stedet ikke længere "et tryk" men blot en sekvens af sammenstød. Den oprindelige dæmonen holder nu styr på hvert enkelt molekyle og netop når et hurtigt molekyle ser ud til at ville ramme dæmonens lille dør mellem de to kamre så åbner dæmonen døren, lader molekylet passere, og lukker døren igen.

  • 1
  • 0

Det forstår jeg. Men det forudsætter vel at der ikke er så mange af de hurtige molekyler på den anden side af døren, så de kolliderer i døråbningen?

Jeg kan godt se pointen i at der muligvis kan oparbejdes et mindre overskud af hurtige molekyler på den ene side, i forhold til den anden i atomar forstand, men ikke et større overskud, da der så vil både forekomme kollisioner i selve porten, samt muligvis at molekyler vil "smutte" tilbage fra "overskuds" reservoiret til underskuds reservoiret.

Det lugter lidt af at forsøge at producere energi ud af ingenting eller altså en evighedsmaskine.

Hvis det er muligt energiløst at sortere hurtige molekyler fra langsomme, så betyder det effektivt at man har skabt et større energi potentiale i det ene reservoir end i det andet, og det er i praksis en energi forskel, som kunne bruges til at udvinde elektricitet fra.

Og den tror jeg ikke rigtig på. Regnestykket hænger ikke rigtigt sammen.

mvh
Kim Madsen

  • 2
  • 0

Kim Madsen skrev:

det forudsætter vel at der ikke er så mange af de hurtige molekyler på den anden side af døren, så de kolliderer i døråbningen?

Dæmonen kan selv vælge hvornår den vil åbne døren og kan fx vælge kun at gøre det for molekyler der kan skifte side uden problemer.

Det lugter lidt af at forsøge at producere energi ud af ingenting eller altså en evighedsmaskine.

Dæmonen er et tankeeksperiement der blev bragt på banen netop for at skabe fokus på, at hvis man har total kendskab til et systems tilstand (her position og hastighed af samlige molekyler i en gas) så kan man skabe en temperaturforskel uden netto brug af energi, hvilket er i modstrid med termodynamikkens love. Dvs. eksperimentet fremhæver et paradoks i den klassiske forståelse for gasdynamik.

Jørgen Nilsson skrev:

Jeg har heller aldrig forstået denne dænon. En "sort box", som sorterer og åbner dører uden at bruge energi?

Dæmonen kan evt. blot tage en smule af den bevægelsesenergi de hurtige molekyler har. Døren behøver heller ikke nødvendigvis være lavet af fast stof. Pointen er, at dæmonen med sin viden om den fulde systemtilstand kan gøre præcis hvad han ønsker for at skabe en temperaturforskel uden netto at bruge energi på det.

  • 1
  • 2

Det lugter lidt af at forsøge at producere energi ud af ingenting eller altså en evighedsmaskine.

Hvis det er muligt energiløst at sortere hurtige molekyler fra langsomme, så betyder det effektivt at man har skabt et større energi potentiale i det ene reservoir end i det andet, og det er i praksis en energi forskel, som kunne bruges til at udvinde elektricitet fra.

Og den tror jeg ikke rigtig på. Regnestykket hænger ikke rigtigt sammen.

mvh
Kim Madsen


Det tætteste vi kommer på, at gøre det i praksis, er at systemet allerede indeholder orden, som den orden der skabes kan tages fra. Så er det teoretisk muligt. Den samlede orden i systemet mindskes. Energioverførsel betyder intet.

Omvendt kan vi nemt forestille os en bølge, der får kaos til at øges - vi kan kalde det en entropi bølge, fordi entropien øges, hvor den rammer. Dette kan ske ved ren informationsoverførsel, og kræver teoretisk ikke energi, eller energikvalitet. Energien og energikvaliteten, tages fra hvor den rammer.

Ved hjælp af information, kan vi styre vores "kaos" bølge, således at vi sikrer, at det som den rammer falder i informationsværdi på kontrolleret måde. Teoretisk, kan det f.eks. medføre, at vi kan styre til der fremstilles ny orden, men ikke uden at den samlede orden reduceres.

Dette kan vi omskrive til, at vi godt kan overføre information, som medfører at f.eks. vand køles ned, samtidigt med at noget andet varmes op. Men kun, hvis vi f.eks. har et batteri med energi af høj kvalitet, som kan drive det. Vi kan som eksempel tage en varmepumpe, og forsyne den med strøm fra vores batteri. Informationsoverførslen, er en bit, der tænder kontakten, og starter forsøget. Resultatet er, at vi med information får vores vand kølet ned, mod noget andet vand bliver varmere. Alt i alt, tilføres ikke energi, og der mistes ikke energi. Energien er konstant. Vi tapper batteriet for energi, men dette omsættes til varme, så isoleret set, er energien konstant. Der bruges ikke energi til, at køle vandet ned. Vores orden stiger lokalt, ved at vandet bliver henholdsvis varmere og koldere. Men globalt, for systemet, så falder ordenen.

En bølge, der kan tilføre orden, er endnu ikke fundet. Smart fidus ellers. Den vil måske kunne erstatte penge.

Skulle den findes, er jeg dog sikker på, at der vil skabes stor uorden, der hvor den fremstilles.

  • 1
  • 0

Man skal så kunne lave en lukkemekanisme der bruger mindre energi både på at lukke døren og at regne ud hvornår dette skal gøres, under alle omstændigheder bruger det energi og det henter heller ikke energi ud af ingenting, men sorterer den fra det sted hvor energien er.

  • 2
  • 1

Det smager for mig, som om vi er ved at opfinde ikke bare en evighedsmaskine, men endog en maskine der ud af ingenting kan skabe energi.
Det lyder for godt til at være sandt, så det er det desværre nok også.

Sidst jeg hørte om en der kunne dette, var det en svensk forsker, der kunne trække energi ud af luften. Hele teorien lød overbevisende, han brugte en centrifuge i processen, og ud fra luftens vægt i luftform og væskeform var han kommet frem til en proces der kunne skabe energi. Desværre var centrifugen ligeglad med, om det var væske eller luft, den centrifugerede molekyler.

Mon ikke tilførelsen af en bitstrøm i jævn hastighed, bruger mere energi, end der overføres.

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten