Войти
Схематическое изображение броуновской трещотки В философии термической и статистической физики броуновская трещотка или Храповик Фейнмана-Смолуховского представляет собой кажущуюся вечную машину, впервые проанализированную в 1912 году как мысленный эксперимент польским физиком Марианом Смолуховским. Его популяризировал американский лауреат Нобелевской премии физик Ричард Фейнман на лекции физики в Калифорнийском технологическом институте 11 мая 1962 года. во время его лекций посланника серии Характер физического закона в Корнеллском университете в 1964 году и в его тексте Лекции Фейнмана по физике как иллюстрация законов термодинамики. Простая машина, состоящая из крошечного лопастного колеса и храповика, кажется примером демона Максвелла, способного извлекать полезную работу из случайные колебания (тепло) в системе при тепловом равновесии в нарушение второго закона термодинамики. Подробный анализ Фейнмана и других показал, почему на самом деле это невозможно.
Устройство состоит из шестерни, известной как храповик, которая свободно вращается в одном направлении, но не может вращаться в противоположном направлении с помощью собачки . Храповик соединен осью с лопастным колесом, которое погружено в жидкость из молекул при температуре 
Хотя на первый взгляд кажется, что броуновский храповик извлекает полезную работу из броуновского движения, Фейнман продемонстрировал, что, если все устройство имеет одинаковую температуру, храповик не будет вращаться непрерывно. в одном направлении, но будет беспорядочно перемещаться вперед и назад и, следовательно, не будет производить никакой полезной работы. Причина в том, что поскольку собачка имеет ту же температуру, что и лопасть, она также будет совершать броуновское движение, «подпрыгивая» вверх и вниз. Следовательно, он будет периодически выходить из строя, позволяя зубу храповика скользить назад под собачку, когда она находится вверху. Другая проблема заключается в том, что, когда собачка опирается на наклонную поверхность зуба, пружина, возвращающая собачку, оказывает на зуб боковую силу, которая имеет тенденцию вращать храповик в обратном направлении. Фейнман продемонстрировал, что если температура 
Если, с другой стороны, было дано простое, но строгое доказательство того, что никакого чистого движения не происходит независимо от формы зубов.
Храповая модель Фейнмана привела к аналогичной концепции броуновских двигателей, наномашин, которые могут извлекать полезную работу не из теплового шума, а из химических потенциалов и другие микроскопические неравновесные источники в соответствии с законами термодинамики. Диоды являются электрическим аналогом храповика и собачки и по той же причине не могут производить полезную работу, выпрямляя шум Джонсона в цепи при постоянной температуре.
Миллонас, а также Махато распространили это понятие на корреляционные храповики, управляемые нулевым (несмещенным) неравновесным шумом с ненулевой корреляционной функцией нечетного порядка больше единицы.
трещотка и собачка впервые обсуждались как устройство, нарушающее Второй закон, Габриэлем Липпманном в 1900 году. В 1912 году польский физик Мариан Смолуховский дал первое правильное качественное объяснение того, почему устройство не работает; тепловое движение собачки позволяет зубцам храповика скользить назад. Фейнман провел первый количественный анализ устройства в 1962 году, используя распределение Максвелла – Больцмана, показав, что если температура лопасти T 1 была больше, чем температура храповика T 2, он будет функционировать как тепловой двигатель, но если T 1 = T 2, не будет чистого движения лопасти. В 1996 году Хуан Паррондо и Пеп Эспаньол использовали вариант вышеупомянутого устройства, в котором нет трещотки, а есть только две лопасти, чтобы показать, что ось, соединяющая лопасти и трещотку, проводит тепло между резервуарами; они утверждали, что, хотя вывод Фейнмана был правильным, его анализ был ошибочным из-за его ошибочного использования квазистатического приближения, что привело к неправильным уравнениям для эффективности. Магнаско и Столовицкий (1998) расширили это анализ для рассмотрения храпового устройства в целом и показал, что выходная мощность устройства намного меньше, чем КПД Карно, заявленный Фейнманом. В статье 2000 года Дерек Эбботт, Брюс Р. Дэвис и Хуан Паррондо повторно проанализировали проблему и распространили ее на случай нескольких трещоток, показав связь с парадоксом Паррондо..
Парадокс Бриллюэна: электрический аналог броуновского храповика. Леон Бриллюэн в 1950 году обсуждал аналог электрической схемы, в котором вместо храповика используется выпрямитель (например, диод). Идея заключалась в том, что диод будет исправлять шум Джонсона тепловые колебания тока, создаваемые резистором, создавая постоянный ток, который можно использовать для выполнения работы. При подробном анализе было показано, что тепловые колебания внутри диода создают электродвижущую силу, которая нейтрализует напряжение от колебаний выпрямленного тока. Следовательно, как и в случае с храповым механизмом, схема не будет производить полезную энергию, если все компоненты находятся в тепловом равновесии (при одинаковой температуре); постоянный ток будет создаваться только тогда, когда температура диода ниже, чем температура резистора.
Исследователи из Университета Твенте, Университета Патры в Греции и Фонда для фундаментальных исследований материи сконструировали двигатель Фейнмана – Смолуховского, который, когда не находится в тепловом равновесии, преобразует псевдо- броуновское движение в работу с помощью гранулированного газа, который представляет собой скопление твердых частиц, колеблющихся с такой силой, что система переходит в газообразное состояние. Сконструированный двигатель состоял из четырех лопастей, которые могли свободно вращаться в флюидизированном гранулированном газе. Поскольку шестерня храповика и собачка, как описано выше, позволяли оси вращаться только в одном направлении, случайные столкновения с движущимися валиками заставляли лопасть вращаться. Это, кажется, противоречит гипотезе Фейнмана. Однако эта система не находится в идеальном тепловом равновесии: энергия постоянно подается для поддержания плавного движения гранул. Сильные колебания на поверхности встряхивающего устройства имитируют природу молекулярного газа. Однако в отличие от идеального газа, в котором крошечные частицы постоянно движутся, прекращение тряски просто заставит шарики упасть. Таким образом, в эксперименте поддерживалась эта необходимая неравновесная среда. Однако работа велась не сразу; эффект храпового механизма начался только после критической силы тряски. При очень сильном сотрясении лопасти лопастного колеса взаимодействовали с газом, образуя конвекционный валок, поддерживая их вращение. Эксперимент был снят на видео.
 | Викискладе есть средства массовой информации, связанные с броуновскими храповиками. |
