Maxwells dæmon får køleelementet til at virke uden brug af energi

For to år siden beskrev en amerikansk forskergruppe et teoretisk koncept for, hvordan man kan køle uden brug af energi ved at udnytte sammenhængen mellem entropi og information.

Illustration: Htkym/Wikicommons

Læs også: Forskere beskriver hvordan information kan holde køleskabet koldt

En uafhængig forsker anerkendte dengang gruppens teoretiske arbejde for at give en bedre forståelse af termodynamik og informationsteori, men han udtrykte dog stor tvivl over for, om ideen kunne realiseres i praksis.

Nu har en finsk forskergruppe gjort præcist dette, som de har beskrevet i en artikel i Physical Review Letters.

Det er ikke tale om en tro kopi af det oprindelige amerikanske forslag, men det er det første system i praksis, der kan udnytte information til at udføre et arbejde som køling uden indblanding udefra på samme måde som et konventionelt køleskab (med forbrug af energi) fungerer fuldautomatisk.

Effekten er kun ganske lille, og det er næppe en metode, som køleskabsproducenter nu vil kaste sig over. Men eksperimentet bekræfter, at information på samme måde som energi kan udnyttes til at skabe en temperaturændring.

'Det er skridt på vejen mod autonome informationsdrevne nanoenheder,' konkluderer Jukka Pekola fra Aalto Universitet og hans medforfattere i den videnskabelige artikel.

Sebastian Deffner fra Los Alamos National Laboratory i USA skriver i en kommentar, at det finske eksperiment viser, at autonome informationsdrevne enheder ikke kun er teoretiske muligheder. De findes i praksis.

Han mener, at det en dag måske kan føre til rene mekaniske informationsdrevne systemer som supplement til de mekaniske varmemaskiner, som Leo Szilard forestillede sig i 1929.

Systemboksen og dæmonboksen

En single-elektron-transistor med en kvanteø (QD), der højst kan indeholde en elektron af gangen. (Grafik: Wikipedia) Illustration: Fbianco/Wikicommons

Det finske system består af to bokse, der hver højst kan indeholde en elektron, som det kendes fra en single-elektron-transistor.

Systemboksen er en lille metalø (kobber), der med superledende aluminiumforbindelser, er forbundet til metalledning. Superlederne sikrer, at elektronerne bevæger sig uden overførsel af varme.

Systemboksen er forbundet til dæmonboksen, som er af en tilsvarende struktur. Dæmonboksen kan detektere en spænding, som afhænger af, om der er en elektron til stede i systemboksen eller ej. Denne spænding aktiverer også dæmonen, som sørger for at regulere den eksterne spænding, der kan holde elektronen fanget i systemboksen eller give den et skub væk. Som illustrationen viser, betyder det, at elektroner altid skal bruge tunneleffekten til at bevæge sig ind og ud af systemboksen.

I henhold til en simpel teoretisk model vil temperaturen derved falde, og temperaturændringen er bestemt af, hvor meget dæmonen 'ved' om systemet. Derved kan systemet udføre et arbejde, der er bestemt af informationen, som man ikke de oprindelige formuleringer af termodynamikkens anden hovedsætning havde betraget som en mulighed.

Denne elektroniske udgave af en autonom Maxwells dæmon indholder af et kapacitivt koblet system i form af en single electron transistor (SET) med en såkaldt kvanteø i midten, der højst kan indeholde en elektron ad gangen. Dæmonen holder øje med den elektriske ladning på kvanteøen. Hvis en elektron på grund af den kvantemekaniske tunneleffekt er på vej til kvanteøen, fanger dæmonen den ved at gøre det eksterne potentiale positivt. Hvis en elektron er på vej ud bort fra kvanteøen, giver dæmonen den et skub væk ved at gøre potentialet negativt. Det er en elektronisk udgave af Maxwells oprindelige tankeeksperiment, hvor dæmonen åbner og lukker en låge mellem to kamre fyldt med en gas. Da elektronerne bevæger sig i modsat retning af af det, som det elektriske felt angiver, sker der en afkøling.Til gengæld øges temperaturen hos dæmonen. Illustration: American Physical Society

I eksperimentet holdes systemboksen på en temperatur på 77 mK. Køleeffekten er omkring 6 attowatt (1 attowatt er 10^-18 watt), og temperaturændringen er omkring en millikelvin.

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

Nu er jeg ikke inde i teorien om tunneleffekt; men betyder dette at der er nogen der har opfundet en evighedsmaskine?

  • 0
  • 1

betyder dette at der er nogen der har opfundet en evighedsmaskine?

Maxwells dæmon ændrer ikke energien. Bliver det koldere et sted, bliver det varmere et andet sted. Energiændringen er nul (Termodynamikkens Første Hovedsætning siger, at energien er bevaret).

Det interessante et, at man i entropiregnskabet (Termodynaikkens Anden Hovedsætning) skal medregne informationsentropi, så information altså er et fysisk begreb.

Nej, det er ikke en evighedsmaskine.

  • 13
  • 0

Det interessante et, at man i entropiregnskabet (Termodynaikkens Anden Hovedsætning) skal medregne informationsentropi, så information altså er et fysisk begreb.

Nej, det er ikke en evighedsmaskine.

Jeg har svært ved at se, at information er et fysisk begreb, med mindre det er på et fysisk medium. Her afhænger informationens fysiske entropi af det medium det er på, måden det er gemt på, og den måde det er fysisk kodet på.

Vi har i mange år krypteret data på f.eks. harddiske, og selvom harddisken har et unikt mønster, med høj entropi, så er denne entropi ikke fysisk. Det, som eksisterer fysisk, er de krypterede data, som er i ren uorden - i hvert fald uden nøgle.

Information uden viden om den fysiske realisering og kodning har ikke fysisk entropi. Det vil ofte kræve en "nøgle" at opnå den fysisk entropi.

  • 1
  • 0

Maxwell's dæmon var et 'tankeeksperiment' for en mulig metode til, at bryde den 2. termodynamiske lov. Så viser jeg husker, kostede 'overvågningen' mere end udbyttet. - Entropien overlevede. :-) (Beklager. Jeg skyder 'fra hoften'. Måske husker jeg galt!?)

  • 1
  • 0

Jeg har svært ved at se, at information er et fysisk begreb, med mindre det er på et fysisk medium.

Jeg er ked af at sige det. Men du bliver nødt til at gøre op med din vanetænkning. Jeg citerer Sebastian Deffner, som jeg nævnte i artiklen og fra det link, jeg gav.

."..information can be used to extract more work than seemingly permitted by the original formulations of the second law".

Prøv at læse hele Sebastion Deffners kommentar (link i min artikel) eller den videnskabelige artikel (også link i min artikel), hvorfra jeg citerer.

"The device presented here demonstrates how information is transferred from the system to the demon, leading to heat generation in the demon in an amount that corresponds to the rate of information transfer:"

Hvis det ikke gør information til et fysisk begreb, så ved jeg ikke hvad.

  • 5
  • 1

Informations indhold og informations fylde?

Det er vel klart, for ikke dataloger, at den mindste informationsenhed er en bit og tilstanden af denne binære enhed eller indholdet kun kan være 0 eller 1. Men komme man nærmere hvad en bit er fysisk ved at opfatte den fysisk og hænge bitten op på en fysisk konstant? I fald er en bit et to-dimensional kvadrat med sidelængden lig en Planck længde 1,61622837 * 10^-35 m ?

Med venlig hilsen Peter Vind Hansen

  • 0
  • 0

Hej Jens Ramskov

Ideen får jeg fra flg. link:

https://en.wikipedia.org/wiki/Planck_length

"The Planck area, equal to the square of the Planck length, plays a role in black hole entropy. The value of this entropy, in units of the Boltzmann constant, is known to be given by A/(4 * l(P)^2), where A is the area of theevent horizon. The Planck area is the area by which the surface of a spherical black hole increases when the black hole swallows one bit of information, as was proven by Jacob Bekenstein."

Venlig hilsen Peter Vind Hansen

  • 0
  • 0

Der er nu ikke nødvendigt at gå en omvej og blande "information" ind i forklaringen, men det er spøjst!

I det øjeblik man har lukket én hurtig gasmolekyle over i det ene kammer stiger trykket dér. Derfor skal dæmonen bruge mere og mere kraft for at åbne lemmen for hver gang han ser en mulighed at en anden hurtig molekyle kan smutte igennem. Samtidig mindsker hans tidsvindue for at holde lemmen åben, da sandsynligheden for at hurtige molekyler smutter tilbage over i den første kammer!

John Larsson

  • 0
  • 7

Og så må man da sige at det potentielt kan give nyt liv til "Det Tænkende Køleskab". Tænk bare, man taster nogle komplicerede madopskrifter - hvorefter denne information giver energi til at drive køleskabet. Måske man kunne gøre processen så effektiv at man kunne strømforsyne andre enheder (via PoE) der ikke har så mange opskrifter, og derfor ikke så megen energi at leve af.

Jeg har bare et spørgsmål: Kan opskrifterne stadig bruges selvom de er blevet transmogryffet til ren energi ?

  • 2
  • 1

Jeg havde tænkt på et køleskab, der skaber kulde mens informationen om de varer der er i det forsvinder.

Man skal selvfølgelig huske at bruge varerne, mens de stadig kan identificeres. Det gælder iøvrigt også for et normalt køleskab ;-)

  • 2
  • 1

Ja, men det finske system virker jo kun, hvis køleskabet i forvejen er nedkølet til 77 K, dvs. næsten minus 200 grader C. Så der er langt igen til informations-køleskab og dito dybfryser!

  • 0
  • 0

Der er nu ikke nødvendigt at gå en omvej og blande "information" ind i forklaringen, men det er spøjst! I det øjeblik man har lukket én hurtig gasmolekyle over i det ene kammer stiger trykket dér. Derfor skal dæmonen bruge mere og mere kraft for at åbne lemmen for hver gang han ser en mulighed at en anden hurtig molekyle kan smutte igennem. Samtidig mindsker hans tidsvindue for at holde lemmen åben, da sandsynligheden for at hurtige molekyler smutter tilbage over i den første kammer!

Helt misforstået. Tryk er en makroskopisk størrelse, som svarer til den gennemsnitlige impulsoverførsel pr. tid pr. areal. Men et dæmon, der til et hvert tidspunkt har styr på molekylernes hastigheder behøver ikke at udføre noget arbejde for at åbne lemmen, selv hvis der er en trykforskel, da den jo bare kan lade være med åbne lemmen, når et molekyle er på vej i den forkerte retning. Og så længe dæmonnet har tid nok betyder det reducerede tidsvindue heller ikke noget i sig selv.

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