A termodinamika második főtétele és az entrópia

A termodinamika második főtétele szerint az univerzum entrópiája állandóan nő. Ezt felkiáltójellel írtam, mert nagyon mélyértelmű gondolat, sőt több szinten is az. Csak hogy képbe kerüljünk, íme a Hubble űrtávcső egyik fotója az éjszakai égboltról. Ezek a pontok nem csillagok, hanem galaxisok. Ez egy galaxis, ez is, és ez is. Remélem, hogy ezzel sikerül érzékeltetni a csillagászati méreteket. Gondoljuk át, mit is jelent mindez! Az Univerzum entrópiája állandóan nő. Az entrópia úgy határozható meg, mint egy rendszer rendezetlenségének a mértéke. A lényeg itt azoknak az állapotoknak a száma, amelyeket a rendszer felvehet. És itt az Univerzumot említjük. Mondhatnánk, hogy egy zárt rendszer entrópiája nő állandóan, egy teljesen zárt rendszeré, amely nincsen kölcsönhatásban a környezetével, hiszen az Univerzumnál nincs zártabb rendszer. Semmi sincsen rajta kívül, amivel termodinamikailag kölcsönhatásba léphetne. Fussuk át, mit jelent a nyílt és a zárt rendszer, hogy biztosan értsük, miről van szó. Legyen ez egy tábortűz. Itt van néhány lángoló fahasáb, tehát ez itt egy tábortűz. A hasábok és a tűz együtt nyílt rendszert alkotnak, hiszen termodinamikailag kölcsönhatásban vannak a környezetükkel. A rendszer hőt bocsát ki, felmelegíti a környező levegő molekuláit, és fényt bocsát ki az Univerzumba. Az Univerzum többi része is hatással van a rendszerre. Tehát nincsen elszigetelve a környezetétől. A zárt rendszer viszont el van szigetelve. Valódi zárt rendszert nagyon nehéz létrehozni a mindennapi életben, de megpróbálkozhatunk vele. A mindennapokból ismerős példa lehet erre a jégtartó termosz. Amennyire lehet, termodinamikailag elszigeteljük a termosz belsejét a külső környezettől, az Univerzum többi részétől. Ehhez valamilyen szigetelőanyagot használunk, például hungarocellt. Ebben szoktuk tartani a jeget. Ez nem egy tökéletesen zárt rendszer, mivel az Univerzum többi részéből származó hő végül felmelegíti a tartály falát, végül a hő eléri a jeget, és felmelegíti, majd megolvasztja. Ez tehát nem egy tökéletesen zárt rendszer, de egy jó közelítés, hiszen valamennyire sikerült termodinamikailag elszigetelni az Univerzum többi részétől. Rajzolok rá egy fedőt is, hogy még inkább látszódjon, mennyire zárt. A kutatólaboratóriumokban ennél sokkal komolyabb zárt rendszereket láthatunk, de bizonyos mértékig még azok is kölcsönhatásban vannak az Univerzum többi részével. A legtökéletesebb zárt rendszer maga az Univerzum. Kívülről semmivel sem léphet kölcsönhatásba. Gondoljuk végig a definíciót: az Univerzum entrópiája állandóan nő. Milyen alapon állíthatjuk ezt? A legjobb példa, ami az eszembe jut, a közönséges diffúzió. Vegyünk egy tartályt. Legyen ez a tartály zárt. Tekintsük úgy, hogy ez a rendszer elméletileg tökéletesen zárt. Vegyük úgy, hogy ideális gáz van benne. Ezek tehát az ideális gáz molekulái. Megadható az átlagos hőmérsékletük, ami viszont azt jelenti, hogy mindegyik egyedi mozgási energiával rendelkezik. Ide-oda pattognak. Mi lesz velük egy idő múlva? A bal oldali részecskék visszapattanak a falról, és elindulnak az ellenkező irányba. Kis idő múltán a rendszer inkább így fog kinézni. A hat részecske szétszóródik a tartályban. Nagyobb térrészt töltenek be a tartály belsejében. Mi történt eközben? Az az állapot, amikor a részecskék mozgása a tartálynak csak erre a kis szegletére korlátozódott, kevesebbféle módon valósulhatott meg. Az entrópia ekkor kisebb volt, mint a második esetben, amikor kitöltik a tartályt. Itt többféle elhelyezkedés lehetséges, többféle elrendeződés, ez pedig többféle állapotot jelent, és magasabb entrópiát. Általánosságban véve, az entrópia növekedésével járó folyamatokat irreverzibilis (megfordíthatatlan) folyamatoknak nevezzük. Miért irreverzibilisek? Nos, van rá némi esély, hogy ezek a molekulák mind visszabújjanak ebbe a sarokba. De ennek az esélye igen-igen csekély. Tehát ez a helyzet hat molekula esetén. A valódi rendszerekben viszont ennél sokkal több molekula van. Milliószor milliószor milliószor millió molekula, amelyeknek a számát 20-30 nullával írhatnánk le. Ez esetben elég valószínűtlen, hogy mindannyian egyfelé indulva összegyűljenek egy kis térfogatban ahelyett, hogy kitöltenék a tartályt. Ezért nem látni olyat, hogy a füst csak úgy magától felvesz valamilyen alakot, vagy összezsugorodik egy kisebb térfogatra, ahelyett, hogy kitöltené a tartályt. Ez megfordíthatatlan folyamat, mert olyan irányba halad, amely a kevesebb lehetséges állapot és a kisebb térfogat felől a többféle lehetséges állapot felé tart. Az Univerzumban folyamatosan ez történik, ezért az Univerzum entrópiája állandóan nő. Egyes esetben úgy tűnik, hogy az entrópia mégsem nő annyira. Vegyünk például egy billiárdgolyót, lökjük neki egy másiknak, ezzel átadva a lendületét. Úgy tűnik, hogy ez visszafelé is végbemehetne, azaz a második lökhetné meg az elsőt, és az visszafordulhatna. Makroszkopikus szinten ez megfordíthatónak tűnik, és sokan annak is tartják. Ám ha mikroszkopikus szinten vizsgáljuk – bár egyébként úgy tűnik, hogy az entrópia nem nőtt olyan nagyon –, de mikroszkopikus szinten vizsgálva... hogy világos legyek, miközben az „első gurul, a második áll” állapotból eljutunk a „második gurul, az első áll” állapotba, nem tűnik úgy, hogy az entrópia olyan nagyon megnőtt volna. Ezért sokan megfordíthatónak tartják, hiszen úgy tűnik, mintha ez itt akár vissza is fordulhatna, nekiütközhetne az elsőnek, és azt lökné tovább, mintha a film visszafelé forogna. Azonban mikroszkopikus szinten láthatnánk, hogy eközben hő keletkezik, a golyó molekuláit gerjeszti az ütközés és a levegő súrlódása gurulás közben, így ezek a molekulák sosem térnek vissza a korábbi állapotukba, azaz valójában mégiscsak nő a rendszer entrópiája. Tehát még ha a mindennapi életben megfordíthatónak is nevezzük a folyamatot, ezek csak közelítőleg megfordíthatóak, azaz az entrópia egy picit ekkor is nő. Az entrópia növekedése sohasem nulla. A megfordíthatatlan folyamatokra a diffúzió egy nyilvánvaló példa, itt teljesen egyértelmű, hogy az entrópia növekszik, és hogy igen-igen csekély, szinte nulla annak az esélye, hogy a dolgok visszarendeződjenek. Ilyet sosem láthatunk, hiszen rengeteg molekuláról van szó, a számukat 20-30 nullával írhatjuk le. Esélytelen, hogy mind ugyanazt csinálják, erre ítéletnapig várhatnánk, és valójában sohasem látnánk bekövetkezni. Remélem, érthető, hogy a rendezetlenséggel a lehetséges állapotok száma állandóan nő, ahogyan a kölcsönhatások száma nő. Ebben nagy szerepet játszik a hő. Minden, amit épp teszünk, miközben ezt a videót készítem, a testem hőt termel. Ez a hő szétoszlik az Univerzumban, növelve azon állapotok számát, amelyet az Univerzum felvehet. Ahogy a kezemet mozgatom, a digitális ceruzám súrlódást okoz, hőt bocsátva ki az Univerzumba. A számítógépem működése hőt bocsát ki az univerzumba. Miközben nézed ezt a filmet, hőt bocsátasz ki az Univerzumba. A számítógépedbe elektronok jutnak a vezetéken át, és hőt bocsátanak ki az Univerzumba. Mindez növeli a lehetséges állapotok számát, ha a mindenséget a molekulák szintjén vizsgáljuk.