Kiel baki ovon igas la universon pli ĥaosa
#000000
Kio estas pli varma, ĉu ligno aŭ ĉu metalo? Se oni lasas pecojn da metalo kaj ligno en la sama ĉambro kaj atendas kelkajn horojn, la metalo ŝajnas malvarma kompare ol la ligno kiam oni tuŝas ĝin. La temperaturo en la ĉambro restas konstanta, do la du pecoj devus havi la saman temperaturon ĉu ne? Alie fluus varmo inter la ĉambro kaj la pecoj. Malgraŭ tio, kio ŝajnas logika, temperaturo kaj varmo do ne estas la sama afero. Ili rilatas, sed restas du apartaj konceptoj.
#000001
La kampo de scienco kiu studas la fluon de varmo kaj aferoj kiuj rilatas al tio nomiĝas termodinamiko. Ĝi venas de la grekaj vortoj por varmo kaj forto. Ĝi estas tre grava temo kaj granda plejmulto el la studentoj de naturaj sciencoj studas ĝin. Ĝi priskribas kiel motoroj funkcias, kio estas tre grava por transporto kaj fabrikado, sed ankaŭ ĥemiistoj uzas termodinamikon por kalkuli ĉu specifaj ĥemiaj reagoj povas okazi. Ĝi eĉ helpas astronomojn, kiuj provas klarigi la naskiĝon kaj morton de la tuta universo. Ĝi povas esti malsimpla kaj kontraŭintuicia scienco, sed kompreni eĉ la bazajn principojn povas multe ŝanĝi kiel oni rigardas la mondon kaj helpi onin eviti penserarojn.
#000002
Termodinamiko havas kelkajn kernajn leĝojn. Tiuj ne estas kiel la leĝoj en lando, ĉar oni ne ricevas punon kiam oni ignoras ilin. La leĝoj de termodinamiko estas fizikaj leĝoj, laŭ nia kompreno de la universo, ne povas esti rompataj. La unua estas la nula leĝo de termodinamiko, kiu nomiĝas tiel, pro tio ke ĝi estis aldonita poste, kiam la unua leĝo jam ekzistis. La nula leĝo diras la sekvan:
#000003
“Se du termodinamikaj sistemoj estas en termodinamika ekvilibro kun tria, ili estas ankaŭ en la ekvilibro unu kun la alia.”
#000004
Termodinamikaj sistemoj estas en ekvilibro kiam varmo povas libere flui ister ili kaj la temperaturo inter ili estas la sama. Ekzemplo de tio estas la pecoj da metalo kaj ligno en la ĉambro (en termodinamiko sistemo estas la parto de la universo kiu interesas nin. La peco de metalo povas esti sistemo, la tuta ĉambro, aŭ eĉ la tuta universo!). La pecoj estas en ekvilibro kun la ĉambro, ĉar varmo povas libere flui inter ili kaj se oni atendas sufiĉe longe, la varmo fluos de la pli varma sistemo al la malpli varma, ĝis ambaŭ havas la saman temperaturon. Ni scias do ke la du pecoj estas en ekvilibro kun la ĉambro, sed la nula leĝo diras ke tio signifas ke ili ankaŭ estu en ekvilibro unu kun la alia, eĉ se ili ne tuŝas. Tio do signifas ke malgraŭ tio ke oni pensas ke la ligno pli varmas, la temperaturoj devas esti samaj. La nula leĝo ŝajnas nenecesa, sed oni povus diri ke ĝi estas la plej grava leĝo, ĉar ĝi igas termodinamikon matematika. La leĝo diras pli abstrakte ke se la sistemoj nomiĝas A, B kaj C, oni povas diri ”A=B, do B=A” kaj ”A=C kaj B=C, do A=B”. Sen la nula leĝo oni ne rajtas aserti tion kaj tio signifus ke oni ne povus priskribi termodinamikon per la matematiko al kiu oni alkutimiĝis. Povas esti ke oni daŭre ne estas konvinkita pri tio ke la du pecoj havas la saman temperaturon, sed oni povas kontroli tion per termometro. La kialo ke la termometro ja sukcesas mezuri la temperaturon sed homo ne estas ke la termometro, se oni atendas iom, estos en ekvilibro kun la sistemo kiun oni mezuras. La termometro mezuras sian propran temperaturon, sed tiu estas la sama kiel tiu de la sistemo kiun oni mezuras. Homoj ne mezuras temperaturon, sed la fluon de varmo. Oni neniam estos en ekvilibro kun la pecoj, ĉar oni mem produktas varmon, sed oni ja povas senti kiel la varmo fluas tra via haŭto. Tio ja dependas de temperaturo, kio igas la sistemon sufiĉe bona por diveni temperaturon, sed ĝi ankaŭ dependas de la materialo kiun oni sentas. Tial la metalo ŝajnas tiom malvarma.
#000005
Malgraŭ tio ke ĝi sentas malvarma, neĝo pli rapide fandiĝas sur metalo, pro tio ke ĝi facile tralasas varmon
#000006
Ankaŭ la unua leĝo de termodinamiko estas tre grava. Ĝi priskribas energion kaj kion oni povas fari per ĝi. Pli precize, ĝi diras:
#000007
”La interna energio de izolita sistemo estas konstanta.”
#000008
Ekzistas malsamaj manieroj por vortigi tion, sed ĉiuj el ili diras la saman aferon. Oni ne povas krei energion el nenio. Ankaŭ tiu aserto povas esti kontraŭintuicia, pro tio ke oni povas bruligi lignon kaj senti la varmon, sed tiu energio jam estis en la sistemo. La varmo kiun oni sentas estas la energio kiu troviĝis en la ĥemiaĵoj de la ligno. Formi la ligojn en la molekuloj kiuj kreiĝas dum la reago kostas malpli da energio ol formi la ligojn en la ligno, do la energio kiun la reago ne bezonas iĝas varmo. La ligno ricevis tiun energion de la suno kiam ĝi ankoraŭ estis planto kaj la suno liberigas energion per nukleaj reagoj. Kio iĝas evidenta estas ke energio ne formiĝas dum tiuj reagoj, sed ŝanĝiĝas de unu formo al la alia. Ekzistas multaj formoj de energio, ekzemple ĥemia energio en reagoj, kinetika energio de moviĝo kaj radia energio de lumo. Termodinamiko priskribas la fluon de energio per du malsamaj konceptoj: varmo kaj laboro. Termodinamiko estas sufiĉe malnova scienco, do oni ekhavis grandskalan komprenon pli frue ol molekulan komprenon. Grandskale la diferenco inter laboro kaj varmo estas ke laboro povas esti uzata por levi mason. Plej ofte oni konsideras la volumenan laboron de gaso, kiu povas levi mason per pligrandiĝi, sed ekzemple la elektra laboro de baterio ankaŭ enkalkuliĝas, ĉar la elektro povas levi mason per motoro. Oni kalkulas laboron per obligi la forton kiu faras la laboron kaj la distancon tra kiun la laboro puŝas la mason. Varmo anstataŭe estas la fluo de energio inter varma kaj malvarma sistemo. Varmo mem do ne estas energio, sed energifluo. La leĝo iĝas malpli abstrakte kiam oni aplikas ĝin al vera situacio.
#000009
Ofta apliko de termodinamiko estas priskribi la kvalitojn de gasoj. Gasoj havas specifajn kvalitojn kiuj ĉiuj interrilatas, nome premo, volumeno, temperaturo kaj la kvanto da molekuloj (sed tiu kutime ne ŝanĝiĝas). Ekzistas diversaj modeloj por priskribi kiel tiuj kvalitoj influas unu la alian kaj la plej simpla estas tiu de ideala gaso. Idealaj gasoj ne vere ekzistas, sed estas modelo por priskribi verajn gasojn. La diferencoj estas ke la molekuloj de ideala gaso ne altiras aŭ forpuŝas unu la alian kaj ne perdas energion kiam ili kolizias. Nur gravas la moviĝo de la molekuloj mem. Kiam oni ne laboras kun ekstremaj kondiĉoj, tio estas sufiĉe bona alproksimiĝo. La forteco de la modelo estas ke oni povas kalkuli kvaliton kiun oni ne konas se oni ja konas la aliajn. Se oni do scias kiom da molekuloj da gaso oni havas kaj mezuras la temperaturon kaj la premon, oni povas kalkuli la volumenon de la gaso. Jen demando al kiu oni povas apliki la unuan leĝon de termodinamiko: Se oni havas du ujojn el kiuj unu havas fiksan kovrilon (konstantan volumenon) kaj unu havas kovrilon kiu povas esti puŝata supren (konstanta premo), kiu bezonas pli da energio por atingi la saman temperaturaltiĝon? La problemo ŝajnas stranga, ĉar oni pensus ke oni bezonus same multe da energio por atingi la saman temperaturon, sed tio ne veras. Laŭ la unua leĝo, oni konsideru ĉiujn energifluojn enen kaj eksteren por scii kiom la energio de la sistemo, do ankaŭ la temperaturo, ŝanĝiĝas. Ambaŭ sistemoj ricevas energion per varmo, sed tio ne estas ĉio. Kiam la gaso plivarmiĝas, la premo plialtiĝas. En la unua ujo tio ŝanĝas nenion, sed en la dua tio igas la gason puŝi la kovrilon. Tio estas laboro! Oni bezonas kompensi por la energio kiun oni perdas tra laboro, do oni bezonas pli da varmo. Por pli facile varmigi ion, ujo kun konstanta volumeno do plej bonas. El la sama koncepto sekvas alia kontraŭintuicia ideo. Sistemo povas gajni kaj perdi varmon sen ŝanĝiĝo de la temperaturo. Kiam oni malrapide kunpremas gason, la temperaturo ne ŝanĝiĝas, sed varmo ja fluas el la sistemo. Tio ne okazas se la sistemo estas bone izolita. Tiukaze la temperaturo plialtiĝas. Kio okazas estas ke oni enmetas energion en la sistemon per laboro (oni puŝas la gason), sed pro tio ke oni faras tion malrapide, la sistemo ĉiam denove atingas ekvilibron kun la medio. Ĉiam kiam oni do aldonas senfine malgrandan kvanton da energio, la sama kvanto forlasas la sistemon tra varmo. Konkrete oni do povas mezuri ke la termperaturo ne ŝanĝiĝas, malgraŭ tio ke ekzistas fluo de varmo, kio denove montras kial oni ne pensu pri varmo kaj temperaturo kiel la sama afero.
#000010
Por mezuri la varmon kiu eskapas el sistemo, oni povas fari eksperimenton en izolita “kalorimetrilo” kaj mezuri la temperaturŝanĝon
#000011
La molekula kompreno de varmo kaj laboro klarigas kial oni distingas du specifajn specojn de energifluo. Ambaŭ rilatas al la moviĝo de molekuloj. Ju pli alta la interna energio de iu materialo, des pli rapide la molekuloj moviĝas. La kvalitoj de gasoj estas regataj de tiu koncepto, pro tio ke la fortoj inter la molekuloj de gasoj estas malgrandaj, do la molekuloj moviĝas pli-malpli libere. La diferenco inter varmo kaj laboro estas la direkto de tiu moviĝo. Laboro rilatas al tre orda moviĝo de molekuloj, kiuj ĉiuj moviĝas en la sama direkto, sed varmo rilatas al la hazarda moviĝo de molekuloj. Konverti laboron al varmo do estas facila, pro tio ke ajna ŝanĝiĝo en la moviĝo de la molekuloj igas ĝin malpli orda. Kiom da laboro estas konvertata al varmo dependas tamen de la vojo kiun oni prenas. Ekzemplo de tio estas ke kiam oni rulas de monto per aŭto, gravito faras la saman kvanton da laboro, sendepende de ĉu oni bremsas aŭ ne, sed se oni bremsas, la bremsoj iĝas pli varmaj kaj oni ne povas vojaĝi la saman distancon. Oni povas uzi motoron por konverti varmon al laboro, ekzemple per varmigi gason kaj kreskigi ties volumenon, por puŝi la piŝton de la motoro. La diferenco estas ke oni ja povas tute konverti laboron al varmo, sed ne inverse, ĉar krei ordan moviĝon el hazarda moviĝo estas malfacila.
#000012
Laste, la dua kaj tria leĝo de termodinamiko priskribas malordon per nova koncepto, nome entropio. Entropio estas mezuro de malordo, sed tio estas tre svaga difino, pro tio ke en la ĉiutaga vivo oni pensas eble pri sia dormĉambro kiam temas pri malordo. En termodinamiko indas pripensi entropion statistike. Ekzistas tiom da aranĝoj kiuj estas malordaj kompare al tiuj kiuj estas ordaj, ke spontanaj procesoj ĉiam strebas al malordo, simple pro probableco. Kiam oni ekzemple liberigas gason en ĉambro, ĝi disiĝos kaj plenigos la tutan ĉambron, ĉar aranĝoj en kiuj ĉiuj molekuloj estas aranĝitaj hazarde estas multe pli oftaj ol tiuj en kiuj la molekuloj estas nur en eta parto de la ĉambro. La entropio do spontane plialtiĝas. Formale la dua leĝo de termodinamiko estas:
#000013
“En termodinamike izolata sistemo entropio neniam malkreskas”
#000014
”La entropio de perfekta kristalo ja la absoluta nulo (malplej alta temperaturo) estas ekzakte 0”
#000016
Oni ne povas malvarmigi sistemon al la absoluta nulo, do oni ne povas rekte mezuri la minimuman entropion de la sistemo, sed por la plejmulto da kalkuloj nur la ŝanĝiĝo de entropio ŝanĝiĝas. Ankaŭ la volumeno de oceano malfacile kalkuleblas, sed se oni aldonas literon, oni almenaŭ povas priskribi la ŝanĝiĝon.
#000017
La dua leĝo sonas sufiĉe stranga. Ĝi diras ke la entropio de izolita sistemo restas konstanta aŭ kreskas. Oni vidas tamen ke akvo glaciiĝas, la fridujo malvarmigas manĝaĵojn kaj por ne morti, la homa korpo tuttempe batalas kontraŭ entropio. La diferenco estas ke tiuj sistemoj ne estas izolitoj. Prenu ekzemple la fridujon, varmo eliras, la temperaturo malaltiĝas kaj la molekuloj moviĝas malpli. La sistemo do iĝis pli orda. La kuirejo ekster la fridujo ricevis la varmon tamen kaj la molekuloj en ĝia aero ekmoviĝas pli rapide. Kiam oni kalkulas la sumon de tiu negativa kaj pozitiva ŝanĝiĝo, oni vidas ke la entropio de la kuirejo kaj la fridujo kune pligrandiĝas!
#000018
Entropio do ĉiam plialtiĝas, sed kion tio signifas? Homoj povas krei ordon en la propra korpo kaj batali kontraŭ entropio per la energio en la manĝo, sed la energio de tiu manĝaĵo iam venis de la Suno. Ĉiam kiam la energio estis uzata, la entropio de la universo iomete plialtiĝis kaj ankaŭ la Suno ne eltenos por ĉiam. Ĉiu generacio de steloj plialtigas la entropion de la universo, do ĝi iĝas pli kaj pli malorda, pli ĥaosa. Por krei stelojn tamen, oni bezonas multe da materialo en unu loko, kio estas termodinamike tre orda. Teorie la entriopio do iam iĝos tiom alta, ke steloj ne plu povas formiĝi. Unu el la teorioj pri la fino de la universo estas ke ĝi ĉiam iĝos pli kaj pli orda, ĝis nenio plu povas okazi kaj ĉio estas silenta. Alia teorio proponas ke eble ekzistas aliaj universoj kie la dua leĝo de termodinamiko estas inversigita, aŭ ke post la morto de ĉi tiu universo, ĝi inversiĝos en senfina ciklo. Oni ne povas certi pri la morto de la universo per la nuntempaj rimedoj, sed entropio almenaŭ ebligas interesan observon, nome ke tempo havas direkton. Tio sonas evidenta, sed pruvi tion estas malfacila. Pozicioj kaj moviĝoj estas simetriaj, do oni povas fari la saman procezon ĉie en la universo kaj kun ajna konstanta rapido kun la sama rezulto, sed oni ne povas inversigi tempon kaj malbaki ovon. Kial tempo havas direkton estas granda puzlo tamen kaj unu el la plej interesaj demandoj ĝis nun.
#000020