Challenges to The Second Law of Thermodynamics: Theory and Experiment

Contents......Page 8
Preface......Page 14
Acknowledgements......Page 17
1.1 Early Thermodynamics......Page 18
1.2 The Second Law: Twenty-One Formulations......Page 20
1.3 Entropy: Twenty-One Varieties......Page 30
1.4 Nonequilibrium Entropy......Page 40
1.5 Entropy and the Second Law: Discussion......Page 43
1.6 Zeroth and Third Laws of Thermodynamics......Page 44
2.1 Maxwell’s Demon and Other Victorian Devils......Page 52
2.2.1 Smoluchowski and Brillouin......Page 56
2.2.2 Szilard Engine......Page 57
2.2.3 Self-Rectifying Diodes......Page 58
2.3 Inviolability Arguments......Page 59
2.3.1 Early Classical Arguments......Page 60
2.3.2 Modern Classical Arguments......Page 61
2.4 Candidate Second Law Challenges......Page 65
3.1 Prolegomenon......Page 70
3.2 Thermodynamic Limit and Weak Coupling......Page 72
3.3 Beyond Weak Coupling: Quantum Correlations......Page 84
3.4 Allahverdyan-Nieuwenhuizen Theorem......Page 86
3.5 Scaling and Beyond......Page 88
3.6 Quantum Kinetic and Non-Kinetic Models......Page 92
3.6.1 Fish-Trap Model......Page 93
3.6.2 Semi-Classical Fish-Trap Model......Page 100
3.6.3 Periodic Fish-Trap Model......Page 104
3.6.4 Sewing Machine Model......Page 108
3.6.5 Single Phonon Mode Model......Page 114
3.6.7 Exciton Di.usion Model......Page 118
3.6.8 Plasma Heat Pump Model......Page 119
3.7 Disputed Quantum Models......Page 122
3.8 Kinetics in the DC Limit......Page 123
3.8.1 TC-GME and Mori......Page 124
3.8.2 TCL-GME and Tokuyama-Mori......Page 127
3.9 Theoretical Summary......Page 128
4.2.1 Introduction......Page 134
4.2.2 Magnetocaloric E.ect......Page 136
4.2.3 Little-Parks (LP) E.ect......Page 137
4.3.1 Theory......Page 138
4.3.2 Discussion......Page 141
4.4.1 Quantum Force......Page 142
4.4.2 Inhomogeneous Superconducting Loop......Page 144
4.4.3.1 Series I......Page 146
4.4.3.2 Series II......Page 148
4.5 Bose-Einstein Condensation and the Second Law......Page 151
4.6.1 Introduction......Page 152
4.6.2 Spin-Boson Model......Page 153
4.6.3 Mesoscopic LC Circuit Model......Page 154
4.6.4 Experimental Outlook......Page 156
5.1 Introduction......Page 161
5.2.1 Introduction......Page 162
5.2.2 Membrane Engine......Page 163
5.2.3 Molecular Trapdoor Model......Page 166
5.2.4 Molecular Rotor Model......Page 168
5.3.1 Introduction......Page 170
5.3.2 Doppler Demon......Page 171
5.3.3 Ratchet and Pawl Engine......Page 172
5.4.1 Theory......Page 175
5.4.2 Discussion......Page 179
5.5.1 Theory......Page 180
5.5.2 Experiment......Page 183
5.5.3 Discussion......Page 184
5.6 Libo. Tri-Channel......Page 185
5.7 Thermodynamic Gas Cycles......Page 187
6.1 Introduction......Page 191
6.2.1 Introduction......Page 193
6.2.2 Model Speci.cations......Page 194
6.2.3 1-D One-Dimensional Analysis......Page 196
6.2.4 Numerical Simulations......Page 199
6.2.4.1 Velocity Distributions......Page 200
6.2.4.2 Phase Space Portraits......Page 203
6.2.4.3 Gas-Gravitator Dynamics......Page 208
6.2.5 Wheeler Resolution......Page 213
6.2.6 Laboratory Experiments......Page 214
6.3 Loschmidt Gravito-Thermal E.ect......Page 218
6.3.1 Gr\raff Experiments......Page 219
6.3.2 Trupp Experiments......Page 222
7.1 Introduction......Page 226
7.2 Chemical Paradox and Detailed Balance......Page 229
7.3 Pressure Gradients and Reaction Rates......Page 233
7.4 Numerical Simulations......Page 239
7.5.1 Introduction......Page 242
7.5.2 Apparatus and Protocol......Page 243
7.5.3 Results and Interpretation......Page 245
7.6 Discussion and Outlook......Page 248
8.1 Introduction......Page 254
8.2.1 Theory......Page 255
8.2.2.1 Apparatus and Protocol......Page 259
8.2.2.2 Results and Interpretation......Page 262
8.3.1 Theory......Page 266
8.3.2 Experimental 8.3.2.1 Apparatus and Protocol......Page 273
8.3.2.2 Results and Interpretation......Page 275
8.4 Jones and Cruden Criticisms......Page 277
9.1 Introduction......Page 282
9.2.1 Theory......Page 283
9.2.2 Numerical Simulations......Page 288
9.3.1 Theory......Page 292
9.3.2 Numerical Simulations......Page 299
9.3.3 Practicalities and Scaling......Page 301
9.4 Hammer and Anvil Model 9.4.1 Theory......Page 306
9.4.2 Operational Criteria......Page 310
9.4.3 Numerical Simulations......Page 313
9.5 Experimental Prospects......Page 315
10.1 Rubrics for Classical Challenges......Page 318
10.1.1 Macroscopic Potential Gradients (MPG)......Page 319
10.1.2 Zhang-Zhang Flows......Page 322
10.2.1 Introduction......Page 323
10.2.2 Theory......Page 327
10.2.3 Experimental Search......Page 333
10.3.1 Introduction......Page 334
10.3.2 Cosmic Entropy Production......Page 337
10.3.3 Life in the Far Future......Page 339
10.4 The Second Law Mystique......Page 342
Index......Page 358