4403041617

ł. Paradoks)' i kontrowersje związane z II Zasadą.

II Zasada, ze względu na swoje fundamentalne znaczenie dla zrozumienia otaczającego świata, jest wciąż obiektem zarówno sporów jak i nieporozumień. Omówmy kilka z nich.

a)    Panuje dość szeroko rozpowszechniony pogląd, że dla każdego spontanicznego procesu u przyrodzie entropia musi rosnąć. Nie jest to prawdą, albo przynajmniej nie do końca jest prawdziwe. W układzie mogą zachodzić spontaniczne procesy, którym towarzyszy zmniejszanie się entropii, jeśli nie jest spełniony wymóg U,V,N - const. Jednak zmniejszenie entropii w układzie zawsze będzie rekompensowane z naddatkiem jej wzrostem w otoczeniu w tak sposób, aby sumaryczna entropia wzrosła.

b)    Entropia jest parametrem makroskopowym i wskazuje kierunek procesu w ujęciu makroskopowym. Na poziomic mikroskopowym obserwujemy zachowania, które są sprzeczne z n Zasadą. W gruncie rzeczy jednak lepiej powiedzieć, że do układów złożonych z malej liczby cząsteczek. II Zasada po prostu się nic stosuje. Czasami takie "nic-tcnnodynamicznc" zachowania się małych układów mogą być obscrwowalnc w inakroświccic. Dobrym przykładem są tu fluktuacje gęstości atmosfery, które sprawiają, że niebo jest niebieskie (a nie czame (!)), a o wschodzie i zachodzie Słońca, dociera do nas nadmiar promieniowania o czerwonej barwie.

c)    Należy sobie uświadamiać pewne ograniczenia związane z równowagowym charakterem definiowanych wielkości. W spontanicznym procesie wiemy coś więcej jedynie o dwóch stanach równowagi - stanie początkowym (A), który był stanem równowagi, ale pod wpływem jakiejś zmiany parametrów przestał nim być. natomiast stał się nim inny stan (B), stan końcowy rozważanego procesu. Potrafimy jedynie powiedzieć: proces zajdzie od A do B. Ale niewiele wiemy na temat tego co będzie się działo pomiędzy tymi dwoma etapami. Zajmuje się tym nowa gałąź termodynamiki nazywana termodynamiką procesów nierównowagowych, ale ciągłe jeszcze jest ona w stadium dziecięctwa.

To oczywiście wielkie ograniczenie. Chociaż umiemy zrozumieć pseudoświat stworzony przez nas w probówce czy reaktorze chemicznym, to jednak daleko nam do zrozumienia, tego co się wokół nas dzieje. Świat jest bowiem, w trakcie stawania się. Proces)', które obserwujemy w przyrodzie nie dochodzą do stanu równowagi, one po prostu cały czas zachodzą. Tak jest z funkcjonowaniem żywych organizmów, które nie jest stanem równowagi ale ciągłym procesem wymiany masy i energii (dodalibyśmy jeszcze pewnie - informacji) z otoczeniem. Nawet śmierć organizmu, jakkolwiek znacznie bliższa równowadze niż życie, startem równowagi też nic jest.

Wiąże się z tym aspektem dość często podnoszony zarzut, że ewolucja i ciągle doskonalenie się żywych organizmów jest sprzeczne z II Zasadą. Tak oczywiście nie jest. Ewolucja jest procesem. Z pewnością w jej trakcie obserwujemy lokalne zmniejszenie entropii, co wymaga jakiegoś wyjaśnienia, ale nic ma tu sprzeczności z Zasadą. Pod warunkiem, że sumaryczna entropia Wszechświata będzie rosnąć. I jak dotychczas wszystko wskazuje, że tak się dzieje. A spadki entropii związane z samoorganizacja się życia są tylko chwilowe (!), bowiem i ono zniknie jak entropia Słońca osiągnie

d)    Demon Maxwella.

Ojcem tej demonicznej postaci, która pozornie obala II Zasadę, jest, jak sama nazwa wskazuje - J. Clerk Maxwell.

Demon siedzi przy drzwiczkach w przegrodzie w środku izolowanego zbiornika z gazem. Siedzi i obserwuje cząsteczki. Zwykle trzyma drzwiczki zamknięte. Jeśli jednak zauważy, żc z jednej strony nadlatuje cząsteczka o prędkości większej od średniej lub też z drogiej strony pojawia się cząstka o prędkości mniejszej od średniej, to otwiera drzwiczki i przepuszcza cząsteczkę na drogą stronę. Po pewnym czasie zgromadzi po jednej stronie cząsteczki o większej energii kinetycznej, po drogiej zaś o mniejszej. Po jednej stronic temperatura będzie większa, po drugiej mniejsza i w konsekwencji entropia zmaleje. Co na to II Zasada?

Paradoks bierze się z nieuwzględnienia faktu, że demon też jest obiektem termodynamicznym. Układem izolowanym nie jest zbiornik z gazem (bo oddziałuje z demonem), ale zbiornik i demon razem. Tak więc konstatując zmniejszenie się entropii w zbiorniku, musimy znać również, zmianę entropii demona i dopiero po zsumowaniu zmian możemy kwestionować II Zasadę. Oczywiście nic znając dokładnej budowy demona nic sposób dokładnie obliczyć zmian jego entropii. Na pewno musi wykonywać jakąś pracę związaną z otwieraniem i zamykaniem drzwiczek, a także i przede wszy stkim zbierać informacje o ruchu cząsteczek. Otóż można entropię powiązać z teorią informacji i oszacować wzrost entropii demona związany z jego działalnością. Okazuje się, ze z nawiązką rekompensuje spadek entropii gazu. Zauważmy jeszcze, żc laka działalność może nie wyjść demonowi na zdrowie. Wzrost jego entropii w stałej objętości (demonami o zmiennej objętości zajmuje się osobna gałąź demonologii) spowoduje wzrost jego energii (39b) co może być dla mego zgubne. Chyba, że co pewien czas będzie się pozbywał jej nadmiaru wychodząc z układu i wykonując jakieś prace.

W modelu tym dostrzeżono podobieństwo do układów biologicznych.

45. II Zasada formułuje dogodne kryterium zachodzenia procesów i charakteiystykę stanu równowagi (w postaci Zasady Wzrostu Entropii), ale bezpośrednia jego stosowalność ogranicza się do przemian izolow anych (U,V,N = const.). Można jednak łatwo znaleźć analogiczne kry teria dla innych warunków narzuconych na proces, łącząc I i II Zasadę Termodynamiki.

Podstawiając dQ obliczone z I Zasady do nierówności na różniczkę entropii, otrzymuje się dS 2: —

Z nierówności tej wynika, że dla każdego spontanicznego procesu zachodzącego w przyrodzie w warunkach S,V,N = const, spełniona będzie nierów ność

dU<rO

czyli energia wewnętrzna musi maleć, osiągając minimum w stanie rów nowagi.

16