Demonio de Maxwell

El Demonio de Maxwell es el nombre de una criatura imaginaria ideada en 1867 por el físico escocés James Clerk Maxwell como parte de un experimento mental 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 cartas solitario conocido en Gran Bretaña en el que se debían ordenar cartas rojas y blancas análogas a moléculas calientes y frías. El demonio de Maxwell aparece referenciado también como Paradoja de Maxwell.

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Formulación tradicional del demonio de Maxwell

  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 100% del rendimiento.

El diseño sería el siguiente: Imaginemos una mezcla equimolar de dos gases A y B, ambos con diferente calor específico (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 tenemos una pared intermedia que separa el recipiente en dos mitades, unida a un émbolo que sale del recipiente; y dotada de una "puerta" controlada por nuestro demonio.

Si por ejemplo, el calor específico de A es mayor que el de B, nuestro demonio se pondrá a trabajar y en un lapso determinado nos 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).

Resolución de la paradoja

Leo Szilard resolvió en 1929 la paradoja de Maxwell al formular los aspectos relativos a la información y energía necesaria para la interacción entre el demonio y el sistema. Szilard se percató de que nuestro "Demonio" no es un trabajador desinteresado. El mero hecho de poder distinguir entre A y B requiere de un aporte de energía y de una interacción con el sistema. La energía invertida en "capacidad de decisión" es la que se utiliza para separar ambos gases. En otras palabras, la Segunda ley de la termodinámica no puede violarse por sistemas microscópicos con información. La paradoja de Maxwell ha dado lugar a una amplia investigación en los aspectos fundamentales de la termodinámica y la teoría de la información.

Léon Brillouin, inspirado en el trabajo de Szilard enunció el teorema por el cual se relaciona la información con la entropía negativa. Enunciado sencillamente este teorema dice que toda medida, adquisición de información, requiere del gasto energético.

Versiones "reales" del demonio de Maxwell

Versiones reales de demonios de Maxwell (con su capacidad de disminuir la entropía equilibrada por el aumento de ésta en su construcción o interacción con el medio) pueden encontrarse prácticamente en la totalidad de los sistemas biológicos que son capaces de disminuir localmente la entropía pero a costa de gastar energía extraída de sus alimentos. Un ejemplo utilizado frecuentemente es la acción de determinadas enzimas, proteínas capaces de catalizar reacciones químicas en los organismos vivos. Su capacidad de decisión, consistente en reconocer a sus materias primas y las acciones a desempeñar están codificadas —en términos de información— en la propia secuencia de aminoácidos de la proteína.

En el emergente campo de la nanotecnología también se estudian mecanismos capaces de disminuir localmente la entropía y de comportarse en cierta forma como un demonio de Maxwell. En todos los casos la Segunda ley de la termodinámica se preserva si se tiene en cuenta la energía utilizada en la adquisición y utilización de la información.

Referencias

• Feynman, Richard P., Feynman Lectures on Computation (Perseus: 1996). ISBN 0201489910.
• Charles H. Bennett, "Demons, Engines and the Second Law", Scientific American, pp.108-116 (November, 1987).