CCF20090213062

OD WIELKIEGO WYBUCHU PO WIELKI BAŁAGAN: ENTROPIA, CHAOS I INNE POWODY TEGO, ŻE WSZECHŚWIAT KIEDYŚ SZLAG TRAFI

Entropia

Proponuję, aby nazwać wielkość S [energię, której nie można zmienić w pracę] entropią ciała, od greckiego słowa \trope] Energia wszechświata jest stała -entropia wszechświata dąży do maksimum.

Rudolph J. E. Clansius, list z 1865

Wszechświat być może zaczął się hukiem, ale zmierza do końca z łkaniem. Tak można by lapidarnie powiedzieć o istocie entropii. I rzeczywiście, pierwsi zwolennicy tej koncepcji, tacy jak William Thomson (lord Kelvin) i Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, ostrzegali, że Wszechświat zmierza do „śmierci cieplnej”, kiedy wszystko będzie miało jednakową temperaturę i nic ciekawego nigdy już się nie zdarzy.

Koncepcja entropii wywodzi się z dziewiętnastowiecznej termodynamiki¹. Pionierzy tej dziedziny - Francuz Nicolas Leonard Sadi Carnot, Niemiec Julius Robert von Mayer i Anglik James Prescott Joule - mieli jeden wspólny cel: zbudować ulepszony silnik parowy. Carnot, działający w latach dwudziestych dziewiętnastego wieku, odkrył, że ilekroć tracone jest ciepło, można w tym procesie uzyskać pracę. Joule dwadzieścia lat później stwierdził, że zależność odwrotna jest również prawdziwa: ilekroć jest wykonywana praca, wydziela się ciepło. Joule i Mayer niezależnie sformułowali wniosek, który jest teraz znany jako „pierwsza zasada termodynamiki”. Energia nie może ani zostać stworzona, ani zniszczona. Może tylko zmienić formę - powiedzmy z energii potencjalnej na pracę i ciepło i odwrotnie.

W roku 1830 inny Niemiec, Rudolf Julius Emanuel Clausius (w tamtych panowała moda na wiele imion), dodał drugą zasadę: ciepło nie może nigdy spontanicznie przejść od ciała zimniejszego do cieplejszego. Ta zasada może się wydawać zupełnie oczywista -jeśli wstawisz wodę do piecyka, ona nigdy nie zmieni się w lód. Z punktu widzenia naukowców usiłujących otrzymać pracę z ciepła, miała ona poważne konsekwencje. Przepływ ciepła z jednego ciała do drugiego jest nieodwracalny - ciepło użyte do upieczenia indyka nigdy już nie może zostać zwrócone z powrotem do piecyka, przynajmniej nie przez indyka. Dzięki eksperymentom Carnota Clausius wiedział, że praca może zostać wykonana, kiedy energia (w formie ciepła) przechodzi od ciała cieplejszego do zimniejszego. A więc ciepło może być tylko raz wykorzystane do wykonania pracy - jeśli rozproszy się w zimniejszym ciele, nie można go już potem odzyskać, nie wnosząc do układu dodatkowej energii.

W rzeczywistości musiałbyś dodać do układu więcej energii, niż jej wniosłeś w postaci ciepła. Jest tak dlatego, ogłosił lord Kelvin w roku 1851, że podczas każdego przepływu ciepła dochodzi do strat. (Tarcie jest główną, ale nie jedyną ich przyczyną). Koniec z ideą per-petuum mobile; aby jakaś maszyna mogła działać, trzeba jej dostarczać energii, ponieważ żaden proces mechaniczny nie jest w 100% sprawny. Za każdym razem, kiedy energia jest zamieniana z jednej formy (powiedzmy ciepła) na drugą (powiedzmy elektryczność), pewna jej część nie nadaje się już do wykonania pracy: chociaż energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona, ulega rozproszeniu.

Oto przykład: Wyobraź sobie izolowany pokój, w którym temperatura w jednym końcu wynosi 30 stopni, a w drugim 10. Oczywiście ciepło będzie przepływało z ciepłego końca do zimnego dopóty,

127

1

Dział fizyki zajmujący się badaniem praw rządzących przemianą energii z jednej postaci w inną, kierunkiem przepływu energii i możliwościami wykorzystywania energii do wykonania pracy (przyp. tłum).