Entropia si cea de-a doua lege a termodinamicii

Cea de-a doua lege a termodinamicii este foarte populara in afara domeniului fizicii, deoarece este strans legata  de conceptul de entropie, sau de dezordinea creata in timpul unui proces termodinamic. Reformulata pentru a exprima entropia, ar suna asa:

In orice sistem izolat, entropia acelui sistem fie va fi constanta, fie va creste.

Cu alte cuvinte, ori de cate ori sistemul trece printr-un proces termodinamic, sistemul nu va mai putea sa revina la starea exacta de dinaintea acelui proces. Aceasta definitie mai este folosita si pentru „sageata timpului” (concept inventat in anul 1927 de catre astronomul britanic Arthur Eddington cu scopul de a descrie „directia pe o singura cale” sau „asimetria” timpului.). Cea de-a doua lege a termodinamicii este formulata in multe feluri, dar, in esenta, este o lege care, spre deosebire de alte legi ale fizicii, nu se ocupa de felul in care are loc un proces, ci mai degraba impune o restrictie asupra unor procese:

Este imposibil ca un proces sa aiba ca rezultat transferul caldurii de la un corp mai rece catre un corp mai cald.

Este o lege prin care universul ne impiedica sa folosim un anumit proces termodinamic pentru a obtine anumite rezultate. Acele rezultate pot fi obtinute doar prin adaugarea lucrului mecanic extern. In aplicatiile practice, aceasta lege spune ca motoarele termice, sau dispozitivele asemanatoare bazate pe principiile termodinamicii, nu au cum, nici macar in teorie, sa aiba o eficienta de 100%.

Acest principiu a fost evidentiat de fizicianul francez Sadi Carnot, cand si-a proiectat motorul bazat pe ciclurile Carnot in 1824, si a fost formalizat, mai tarziu, drept lege a termodinamicii de fizicianul german Rudolf Clausius.

Sistemele termodinamice

Exista 3 tipuri de sisteme termodinamice:

1. Sisteme deschise – in care au loc transferuri de materie si energie cu mediul inconjurator.

2. Sisteme inchise – in care au loc doar transferuri de energie cu mediul inconjurator.

3. Sisteme izolate – in care nu au loc transferuri de energie sau de materie cu mediul inconjurator.

Universul este un sistem izolat (singurul sistem izolat cunoscut omului) deoarece termenul descrie intregul continuumul spatio-temporal, inclusiv energia stocata in cadrul lui.

Universul este considerat singurul sistem realmente izolat, deoarece izolarea la scara mai mica e imposibila. Planeta noastra poate fi considerata un sistem aproximativ inchis, dar este deschis in realitate.

 Entropia

Entropia este o masura cantitativa a dezordinii dintr-un sistem. Conceptul provine din termodinamica, domeniu ce se ocupa cu transferul caldurii intr-un sistem.

In general, fizicienii nu vorbesc despre o forma de “entropie absoluta”, ci se refera la schimbarile entropice ce apar in procese termodinamice specifice.

Pe masura ce legea a doua a termodinamicii a devenit mai populara in dezbaterile stiinta versus religie, cu atat mai mult a fost deformata pentru omul de rand.

Unii considera ca a doua lege a termodinamicii spune ca un sistem nu va deveni niciodata mai ordonat. Nu este adevarat.

Legea spune doar ca pentru a deveni mai ordonant (scaderea entropiei), este necesar un transfer de energie exterior sistemului, tot asa cum o femeie insarcinata isi extrage energia din alimente pentru a permite ovulului fertilizat sa devina un fetus complet. Totul decurgand in armonie completa cu cea de-a doua lege a termodinamicii.

Uneori, in loc de „entropie”, unii oamenii folosesc 3 sinonime imprecise si ambigue: dezordine, haos si aleatoriu.

Strict vorbind, entropia nu e altceva decat logaritmul multiplicitatii starilor, sau gradul de dispersie a energiei intr-un sistem.

O definitie mai larg raspandita a entropiei este „gradul de dezordine din sistem”, adaugand si legea a doua a termodinamicii rezulta ideea ca „sistemele devin din ce in ce mai dezordonate”.

Din definitia de mai sus reiese ca sistemul tinde sa treaca de la stari mai putin probabile la stari mai probabile. De exemplu, daca primiti 5 carti de joc, este mai probabil sa aveti o mana „dezordonata”, 5 carti fara valoare, decat sa aveti o mana „ordonata”, castigatoare la poker. Unele lucruri sunt mai probabile decat altele.

Dar entropia este un pic mai abstracta, iar cea de-a doua lege a termondinamicii spune ca universul tinde spre uniformitate; caldura (transferul de energie intr-un fel sau altul) se va raspandi in intreg universul pana cand va exista peste tot aceeasi temperatura si acelasi nivel de energie (in cazul sistemelor cu contact termic, caldura se transfera intotdeauna de la sistemul cu temperatura ridicata la cel cu temperatura joasa, pana cand se realizeaza echilibrul termic), iar fortele din univers vor continua sa lucreze pana cand se va obtine un echilibru universal.

Cu alte cuvinte, intr-un sistem izolat toate fortele lucreaza la obtinerea unui echilibru, a unei uniformitati. In clipa in care acest echilibru este atins nu va mai exista posibilitatea efectuarii lucrului mecanic, prin urmare toate fortele din sistem vor deveni sedentare.

Putem folosi o analogie simpla:

– de-a lungul unei perioade de timp, o camera va deveni din ce in ce mai dezordonata (lucrurile sunt distribuite uniform prin camera, in loc sa se afle intr-un singur loc) cata vreme e locuita, iar locatarul nu face niciun efort de a o curata.Entropia si cea de-a doua lege a termodinamicii

Toate formele de energie sunt convertite in energie termica, si sunt distribuite cat mai uniform in univers, pana cand se obtine uniformitatea totala.

In starea sa finala, universul devine un spatiu uniform in care lucrul mecanic nu mai poate avea loc, deoarece energia nu mai poate fi “concentrata”.

Aceasta este starea de entropie maxima. Atunci cand universul atinge starea de maxima entropie este complet “dezordonat”. Nu mai exista tipare ordonate si nu mai este posibila obtinerea de informatii despre istoria universului.

In realitate, desi ar trebui sa fie intr-o stare de dezordine completa la obtinerea entropiei maxime, universul s-a omogenizat si a devenit mai uniform. Pe scurt, entropia maxima? Dezordine.

Acesta este motivul pentru care oamenii de stiinta recunosc faptul ca desi terminologia „dezordonarii” este simpla si usor de inteles, este de fapt o suprasimplificare in cel mai bun caz, si o analogie inselatoare si gresita in cel mai rau caz. Din acest motiv s-a renuntat aproape complet la conceptul de dezordine, iar majoritatea cartilor de chimie au indepartat acest concept.

Retineti, entropia este un fenomen energetic care, doar tengential, are legatura cu distributia materiei dintr-un sistem. (Statistic vorbind, e foarte improbabil ca moleculele unui gaz sa se mute dintr-o parte in alta a unui recipient fara ca asupra gazului sa fie efectuat lucru mecanic (apasarea unui piston, sa zicem). Dar actiunea lucrului mecanic asupra gazului va creste entropia universului, pentru ca si pistonul isi va mari entropia.

Cea de-a doua lege e o lege a mecanicii statistice, nu este o lege fundamentala a naturii. Prin urmare nu e imposibil sa fie incalcata; dar incalcarea ei este extrem de improbabila.

Statistic vorbind, de-a lungul unui interval de timp extrem de lung, este posibil sa apara o astfel de incalcare. De exemplu, un sistem clasic, ce prezinta cea de-a doua lege, o poate incalca de-a lungul unei perioade mari de timp. Acest lucru este stabilit de timpul de recurenta Poincaré – atunci cand aceasta recurenta apare, entropia sistemului scade pana la valoarea originala. Dar timpul de recurenta Poincaré apare dupa o perioada de timp mai mare decat varsta Universului actual, asa ca ramane doar o consideratie teoretica.

Totodata, daca luam ca exemplu o macrostare ce scade ca entropie, o sa existe un numar astronomic de macrostari ce vor creste in entropie. De asemenea, cea de-a doua lege se aplica doar sistemelor la scara mare; putem da ca exemplu doua molecule: este improbabil ca molecula cu vibratie energetica mai mica sa cedeze o parte din energia ei moleculei cu energie mai ridicata. Dar ramane o posibilitate, mai ales daca tinem cont de numarul mare de molecule. Se poate chiar garanta ca se intampla uneori.

 Entropia si energia

Asemenea entropiei, energia e una dintre ideile cele mai importante ale stiintei. Sunteti familiarizati cu acest cuvant, „energie”, din viata de zi cu zi. Dar acest lucru poate crea probleme intr-un context stiintific.

Fizicienii au preluat multe cuvinte comune si le-au incorporat in munca lor, dar aceste cuvinte au semnificatii precise si tehnice (energie, forta, presiune, camp si multe altele). Atunci cand sunt folosite de catre un fizician, e destul de probabil sa nu se refere la lucrul la care care va ganditi.

In cazul energiei, semnificatial stiintifica nu este prea indepartata de semnificatia uzuala. Cuvantul ne face sa vizualizam petrol, carbune, centrale electrice nucleare, panouri solare etc.; toate produc energie din punct de vedere stiintific.

Unul dintre multele feluri de energie e “energia cinetica”. Adica energia detinuta de un obiect datorita miscarii sale. Energia cinetica a unui obiect miscator depinde de masa (greutate) si viteza sa.

Moleculele apei, dintr-un pahar sau dintr-un cub de gheata, sunt in continua miscare, deci fiecare molecula poseda energie cinetica. Temperatura unui obiect e reflectia energiei cinetice a atomilor sau a moleculelor care il compun. Mai pe scurt, molecule rapide = energie cinetica mare = temperatura mare.

De exemplu, apa este mai calda decat gheata, ceea ce inseamna ca moleculele apei au, in general, mai multa energie cinetica (si se misca mai rapid) decat moleculele ghetii. Plasarea unui cub de gheata intr-un pahar cu apa duce la bombardarea moleculelor lente ale ghetii de catre moleculele rapide ale apei. In urma coliziunilor, moleculele ghetii devin mai rapide, in timp ce moleculele apei incetinesc. Prin urmare gheata devine mai calda, iar apa se raceste. Acest transfer de energie de la substanta calda la cea rece se numeste “caldura”.

Ce legatura are asta cu entropia?

Are legatura cu faptul ca energia dintr-un pahar de apa este finita.

Daca am relua experimentul de la inceput, dar am distribui energia, in doze mici, tuturor moleculelor din apa, am constata ca energia cinetica tinde sa se distribuie uniform printre moleculele apei.

Felurile diferite in care energia se poate distribui in paharul cu apa se numesc macrostarile sistemului. Macrostarile in care energia este distribuita uniform au cea mai mare entropie, de aceea sunt cele mai probabile.

Atunci cand plasam cubul de gheata in apa, energia este distribuita neuniform. Entropia este scazuta. Sistemul continua sa isi schimbe starea, iar din cauza ca majoritatea microstarilor apartin entropiei ridicate, entropia creste. Nu este nevoie sa faca asta, din moment ce toate microstarile sunt egale, dar cresterea entropiei e foarte probabila.

 Termodinamica voodoo

Intrebare: Care dintre urmatoarele tipare sunt mai “ordonate” din punct de vedere termodinamic?

ABAABBABBBBBABBAABABBB

ABAABAABAABAABAABAABA

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

ABABABABABABABABABABAB

Raspuns: Intrebarea nu are sens, deoarece niciunul dintre tipare nu este un ansamblu; toate sunt microstari individuale posibile ale unui ansamblu nespecificat. Mecanica statistica, implicit si termodinamica, nu are nimic de spus in privinta acelui gen de ordine la care ne gandim intuitiv in viata de zi cu zi.Entropia si cea de-a doua lege a termodinamicii (2)

Analogia falsa a entropiei sub forma de dezordine e folosita in domenii din afara stiintei cu diverse grade de succes.

Creationistii au adoptat terminologia si au incercat sa foloseasca cea de-a doua lege a termodinamicii pentru a refuta evolutia. Analogia folosita de ei afirma ca formele de viata complexe nu aveau cum sa evolueze din cele simple.

Este evident ca aceasta falsa analogie a unei false analogii este complet gresita. Evolutia nu implica faptul ca viata devine tot mai complexa; doar zice ca selectia naturala permite genelor sa fie transferate si diferitele caracteristici sa fie pastrate.

Este o greseala sa se considere ca viata este mai “ordonata” decat obiectele lipsite de viata. Acelasi argument folosit impotriva evolutiei, poate fi folosit si impotriva aparitiei ghetii!

Viata nu incalca cea de-a doua lege a termodinamicii, din punct de vedere energetic. Energia soarelui este convertita in energie chimica potentiala, care este convertita in lucru mecanic sau in caldura (Pamantul nu este un sistem izolat).

In ambele cazuri, transferul energetic este ineficient, iar o parte din energie este pierduta sub forma de caldura in mediul inconjurator, lucru care duce la dispersia energiei. (In acelasi mod, fulgii de zapada, “ordonati” ca structura, se pot forma pe timp de iarna, dar entropia universului tot creste.)

Aceasta idee este ilustrata de acest citat dintr-un manual de chimie:

„Unul dintre aspectele sistemelor biologice care intriga studentii este posibilitatea descoperirii incalcarii legilor termodinamicii si a chimiei fizice. Majoritatea exemplelor sunt usor de respins. Samanta germinativa sau embrionul ce se dezvolta in oul de gaina sunt citate adesea ca exemple de sisteme izolate in care apare o crestere a ordinii, sau o scadere a entropiei. Este evident si faptul ca respiratia, in prezenta oxigenului, produce o crestere a entropiei sub forma de caldura, ce compenseaza scaderea entropiei ce apare atunci cand elementele prezente in samanta sau in galbenusul oului, se organizeaza sub forma de tesuturi. Intr-adevar, nici germinatia, nici dezvoltarea embrionica nu va avea loc in absenta oxigenului din sistemul in discutie”.

PZ Myers a spus, facand referire la amestecul entropiei in evolutia biologica, urmatorul lucru:

„Argumentul celei de-a doua legi a termodinamicii este unul dintre cele mai puerile, amuzante si stupide din intreaga colectie a creationistilor. Se respinge singur. Intrebare pentru creationisti: Ati fost vreodata fetusi? Ati crescut? Ati devenit mai mari si mai complecsi? Faptul ca existati, aici si acum, reprezinta o violarea a celei de-a doua legi a termodinamicii? Va cer sa regresati imediat intr-o baltoaca de lichid menstrual si sperma”.

Un alt aspect amuzant e evidentiat de Carl Sagan: „daca cea de-a doua lege a termodinamicii se aplica lui Dumnezeu, atunci Dumnezeu moare”.

Sa presupunem, pentru moment, ca in natura exista unele procese ce violeaza cea de-a doua lege a termodinamicii.

Avem vreun motiv sa credem ca exista un creator inteligent care e responsabil de aceasta incalcare a legii?

Singurii creatori inteligenti ce ne sunt cunoscuti sunt oamenii si unele animale, dar si ei sunt la fel de afectati de legea termodinamicii, asemenea altor agenti noninteligenti.

Legile termodinamicii au fost evidentiate drept limitari ale proiectelor inginerilor din secolul al XIX-lea. Proiectantii inteligenti nu construiesc masini cu miscare perpetua. Proiectantii inteligenti nu ocolesc cea de-a doua lege a termodinamicii.

Unii dintre creationistii “tanarului” Pamant au invocat “sortarea hidrodinamica”, ce a avut loc in vremea Potopului lui Noe, pentru a justifica organizarea straturilor de fosile. Cu alte cuvinte, ei recunosc faptul ca un proces mecanic nedirectionat e capabil sa produca ordine din dezordine, contrazicand astfel propria lor versiunea naiva a celei de-a doua legi a termodinamicii.

Cea de-a doua porunca a termodinamicii

Creationistii folosesc o serie de argumente „stiintifice” pentru a-si valida opinia religioasa:

Argumentul nr.1: Cea de-a doua lege a termodinamicii obliga toate sistemele si partile individuale ale sistemelor sa treaca de la ordine la dezordine. Cea de-a doua lege nu permite aparitia spontana a ordinii din dezordine. Acest fapt ar viola tendinta universala de dezintegrare a materiei.

Raspuns: Gradul de dezordine termodinamica e masurat cu ajutorul conceptului de “entropie”.

Exista o corelatie matematica intre cresterea entropiei si cresterea dezordinii.

Este adevarat ca entropia generala a unui sistem izolat nu va scadea. Dar, entropia unor parti din acel sistem poate scadea, spontan, cu pretul cresterii entropiei in alte parti ale sistemului.

Atunci cand caldura trece spontan din partea calda in partea rece a sistemului, entropia zonei incalzite scade spontan. Desi legea a doua a termodinamicii spune ca entropia nu scade niciodata in cadrul unui sistem izolat, este evident ca se poate sa scada la nivel de componenta de sistem.

Argumentul nr.2: Creationistii recunosc faptul ca exista multe cazuri in care ordinea apare spontan din dezordine: semintele devin copaci, ouale devin pui, in urma evaporarii unei solutii apar cristale, fulgii de zapada se formeaza din moleculele vaporilor de apa aleatori. In aceste cazuri, creationistii sustin ca exista un mecanism programat de conversie a energiei pentru a ghida aplicatiile energiei necesare schimbarii.

Raspuns: Nu este necesar niciun mecanism de conversie a energiei. Termodinamica coreleaza, impreuna cu ecuatiile matematice, informatiile legate de interactiunea caldurii si a lucrului mecanic.

Nu face speculatii asupra mecanismelor implicate. Mecanismul de conversie energetica nu poate fi exprimat in termenii relatiilor matematice sau a legilor termodinamice. Desi este rezonabil sa presupunem ca exista mecanisme de conversie energetica, felul in care opereaza acestea este in afara domeniului termodinamicii. Atribuirea unui mecanism de conversie energetica termodinamicii e doar o incercare de a distorsiona si a perverti adevarata natura a termodinamicii.

Argumentul nr.3: Acest mecanism de conversie energetica “ocoleste” cea de-a doua lege, permitand aparitia ordinii din dezordine.

Raspuns: Utilizarea si aplicarea termodinamicii este strict limitata de catre ecuatiile de baza a termodinamicii. Nu este loc pentru niciun fel de mecanism ce nu se supune legilor termodinamicii.space48

Argumentul nr.4: Creationistii considera ca schimbarile ce necesita gandirea si efortul uman, cum ar fi construirea unei case sau scrierea unei opere literare, sunt guvernate de stiinta termodinamicii. Creationistii cred ca un zid nu se va construi singur deoarece ar viola legile termodinamicii. Prin construirea acelui zid, zidarul incalca legile termodinamicii!

Raspuns: Termodinamica nu se ocupa de situatiile ce necesita gandire si efort uman pentru a crea ordine din dezordine. Termodinamica este limitata de ecuatiile si matematicile termodinamicii. Daca nu poate fi exprimata matematic, atunci nu e termodinamica!

Un mod mai amuzant de a privi problema : “Evolutia nu incalca cea de-a doua lege a termodinamicii, tot asa cum nici eu, cand sar, nu incalc legea gravitatiei!”

Argumentul nr.5: In cazul schimbarilor organice, cum e samanta ce devine copac, creationistii considera ca mecanismul de conversie a energiei, ce ocoleste cea de-a doua lege a termodinamicii, provine de la Dumnezeu.

Raspuns:…Entropia si cea de-a doua lege a termodinamicii (3)

Creationismul vrea sa inlocuiasca matematica cu metafore.

Metaforele pot sau nu sa ilustreze o idee, dar nu reprezinta ideea insasi. Un lucru este sigur: metaforele sunt complet inutile atunci cand vine vorba de calcularea termodinamica a eficientei unui motor termic, sau a schimbarii entropice a unui gaz, sau a puterii necesare operarii unui compresor. Toate aceste lucruri se fac cu ajutorul matematicii, in niciun caz cu ajutorul metaforelor.

Creationistii au creat o termodinamica “voodoo” bazata pe metafore. Au facut acest lucru pentru a-i convinge pe cei ce nu sunt familiarizati cu termodinamica reala de faptul ca opinia lor sectara religioasa este validata stiintific.

descopera.org

Bogdan

Pentru fiecare de ce trebuie sa existe un cum