Este viața o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii?

Răspunsul scurt: nu există 😄. Răspunsul lung ne trece printr-o lecție scurtă de istorie și numeroase relații cauză-efect, așa că hai să vedem despre ce este vorba!

Motorul progresului

Dacă ai urmat un profil real, este imposibil să fi trecut prin liceu fără să fi auzit de Ciclul Carnot, cândva în clasa a XI-a. Ciclul Carnot este o transformare ciclică bitermă formată din două procese adiabatice și două procese izoterme (într-un proces adiabat nu se schimbă căldură cu mediul exterior, iar în unul izoterm temperatura rămâne constantă). La vremea aceea, pentru mine cel puțin, această teorie și cauzele ei mi se păreau ceva departe de puterea mea de înțelegere. De aceea, doresc să explic acest concept pe înțelesul tuturor, pentru a pune în evidență răspunsul la întrebarea de mai sus și pentru a înțelege cum viața însăși depinde (mai mult sau mai puțin) de o mărime de stare.

Este esențial să știm faptul că Ciclul Carnot se referă la un experiment mental, o construcție teoretică ideală. Totul a pornit de la dorința fizicianului Sadi Carnot de a ajuta poporul francez să progreseze, popor care avea industria în urmă față de celelalte puteri ale lumii. Era deja cunoscut faptul că motoarele termice mai puternice, cu randament mai mare, stăteau la baza evoluției. El și-a dorit un motor termic ideal, fără frecare sau pierderi de energie și cu eficiență maximă.

O noțiune importantă și pe care o vom întâlni în cele ce urmează, este cea de termostat: un sistem termodinamic care are suficient de multă energie internă pentru ca în urma contactului termic cu un corp exterior temperatura termostatului să nu se modifice.

Carnot introduce ideea de ciclu termodinamic (1824), apoi accentuează că producerea unei puteri motrice (care produce mișcare) cu o mașină termică necesită existența unei diferențe de temperatură între o sursă caldă și una rece. Sursa caldă și sursa rece sunt cele două termostate cu care schimbă căldură sistemul termodinamic care efectuează ciclul Carnot, sursa caldă- termostatul cu temperatura mai mare, sursa rece- termostatul cu temperatura mai mică.

Cam așa arată ciclul imaginat de Carnot:

După cum se poate observa, sistemul este atât ciclic (începe cu starea 1, trece prin 2, 3 și 4 și ajunge înapoi la 1) , cât și reversibil (revine la starea inițială fară pierderi). Lucrarea lui Carnot pune bazele conceptului de ciclu reversibil și consecința lui, ciclul cu randament termic maxim.

Astfel Sadi Carnot dă naștere unui șir de idei și noi formulări ale principiilor termodinamicii. Principiul acestuia a fost descoperit de Carnot într-un moment în care teoria calorică a căldurii a fost reconsiderată serios, înainte de recunoașterea primei legi a termodinamicii și înainte de exprimarea matematică a conceptului de entropie. Interpretată în lumina primei legi, ea este fizic echivalentă cu a doua lege a termodinamicii și rămâne valabilă și astăzi. Acesta afirmă : ”Eficiența unui ciclu cvasistatic sau reversibil Carnot depinde numai de temperaturile celor două rezervoare de căldură și este aceeași, indiferent de substanța activă. Un motor Carnot operat în acest mod este cel mai eficient motor de căldură posibil folosind cele două temperaturi.”

Lord Kelvin (a.k.a Mr. "am rezolvat fizica, mai avem doar măsurători de făcut") este interesat de ideea lui Carnot și realizează că aceasta ar putea pune bazele definirii temperaturii termodinamice absolute (1848). Folosind scara temperaturii absolute Kelvin, putem defini eficiența unui motor termic astfel:

T_C -> Temperatură termostat rece (C de la Cold)
T_H -> Temperatură termostat cald (H de la Hot)

Așadar, pentru eficiență maximă, am avea nevoie de temperatură infinită pentru termostatul cald sau zero absolut pentru termostatul rece, ceea ce este imposibil de realizat.

Uite și entropia!

La vremea aceea, se considera că eficiența motoarelor termice era, teoretic, de 38%, dar în practică aceasta era de aproximativ de 3%. În realitate, motoarele termice întâmpină frecare, există disipare a căldurii în mediul exterior și nu transferă căldura la temperaturi constante. O mare parte din energie era împrăștiată în exterior, transformându-se în energie imposibil de recuperat, într-un proces ireversibil. Energia totală nu s-a schimbat, dar a devenit nefolositoare, deoarece aceasta poate fi folosită atunci când este concentrată, nu disipată în mediu.

Mai târziu, Rudolf Clausius, fizician german, a considerat enunțul dat de Carnot ca fiind un nou principiu al termodinamicii și dorește să vină cu îmbunătățiri, așa că găsește o metodă pentru a cuantifica disiparea energiei în spațiu, introduce o nouă mărime de stare: ENTROPIA.Tot atunci (1854) , el rezumă al doilea principiu al termodinamicii astfel: ”Entropia Universului tinde către un maximum”, care legat de primul principiu, poate fi enunțat în felul următor: ”Energia tinde să se distribuie uniform în timp”.

Altfel spus: ”Entropia este o măsură a gradului de răspândire a energiei într-un sistem.”

Dacă ai rămas până aici, congrats, ești pe cale să afli lucruri și mai interesante! 🙂

Demonii lui Maxwell

Acum știm că entropia tinde către un maxim. Acum, în timp ce tu citești acest articol, este mai mare decât a fost acum o secundă, și în același timp, nu va mai avea niciodată o valoare la fel de mică. Deci, încotro ne îndreptăm? Către un val imens de…nimic, de platitudine absolută. La un moment dat, Universul va ajunge într-o stare uniformă, constantă, în care entropia și-a atins maximul și nimic notabil nu se va mai întâmpla. Drives you a bit crazy, right?

James Clerk Maxwell, același Maxwell care ne-a spus că un câmp magnetic generează unul electric și vice-versa, nu dorea să accepte acest fapt, așa că și-a dorit să ”găsească o slăbiciune” a celui de-al doilea principiu al termodinamicii. Scopul său era să înceapă cu o cutie dezordonată, plină cu molecule care se mișcă aleatoriu, apoi să separe moleculele rapide de cele lente, reducând astfel entropia, cruțându-ne, astfel,  de inevitabila soartă plicticoasă. Separarea ar fi fost realizată de către ”o ființă imaginară, inteligentă, de dimensiuni moleculare”, botezată mai târziu de către Kelvin drept ”Demonul lui Maxwell”. Pentru o vreme, acest demon și activitatea lui au fost acceptate. Au trecut o sută de ani până să se înțeleagă de ce demonul lui Maxwell nu poate, de fapt, să învingă al doilea principiu și să împiedice alunecarea inevitabilă către letalul echilibru universal. Și motivul arată că există o legătură profundă între termodinamică și procesarea informației — sau, altfel spus, calculul.

Fizicianul Rolf Landauer a arătat că, în ciuda capacității demonului de a aduna informații (energia moleculelor pe care trebuie să le separe) și de a acționa fără niciun cost energetic, în cele din urmă trebuie să plătească un preț. El nu poate stoca informație nelimitat, deci este nevoit ca la un moment dat să-și ”șteargă” memoria pentru a continua separarea. Acest act de ștergere a informației are un preț inevitabil: disipă energie și, prin urmare, crește entropia. Toate câștigurile demonului împotriva celui de-al doilea principiu, obținute prin abilitatea sa, sunt anulate de „limita lui Landauer”: costul finit al ștergerii informației.

Viața asta...

Privită astfel, viața poate fi considerată o formă de calcul care urmărește să optimizeze stocarea și utilizarea informației semnificative. Și se dovedește că viața este extrem de bună la asta. Soluția lui Landauer la enigma demonului lui Maxwell a stabilit o limită energetică absolută minimă pentru câtă energie necesită un calcul cu memorie finită și anume, costul energetic al uitării.

În altă ordine de idei, viața nu se poate împotrivi legilor fizicii, dar aparent nici nu este interesată de ele.
Ea se supune scopului primordial: supraviețuire și perpetuare. A fi condus de un scop este un concept definit de vechii filosofi drept teleologie: doctrina sau concepția conform căreia lucrurile au un scop sau o finalitate predeterminată. În același mod, chiar dacă legile fizicii de azi ne permit să prezicem diverse fenomene de la Big Bang încoace, nimeni nu își imaginează cum apariția primei celule primitive a dus PREDICTIBIL la apariția rasei umane. Aparent, legile nu dictează cursul evoluției.

Așadar, organismele vii pot fi privite ca entități care se adaptează la mediu folosind informația pentru a extrage energie și a evita echilibrul. Întreaga existență de pe pământ, de la fenomene fizice la activități interumane este o consecință a procesului de convertire a unei cantități de energie într-o cantitate mai mare de energie disipată în Univers…entropie!

O întrebare potrivită ar fi: ”De unde atâta energie?”. Ei bine, cum probabil mulți știți, de la Soare.Mai puțin cunoscut este, însă, faptul că toată viața pământeană se desfășoară în procesul Pământului de a emite, pentru fiecare foton primit de la Soare, 20 de fotoni în Univers. Dacă Universul tinde către entropie maximă, atunci viața găsește o metodă de a accelera această tendință. Viața e deosebit de bună în a converti entropie joasă în entropie ridicată, prin faptul că fiecare desfășurare duce la emiterea de energie. Existența ei pe pământ este datorată faptului că la începutul Universului entropia era joasă și crește continuu de atunci.

Acest proces de disipare continuă a energiei va continua până când ea va fi uniform distribuită în Univers și totul va deveni o mare amorfă, un spațiu perfect echilibrat în care nu se mai întâmplă nimic. Numim acest scenariu plicticos "moartea termică a Universului".

Aceasta va avea loc după ce ultima gaura neagră va fi dispărut. Pentru un timp, s-a considerat că majoritatea entropiei din Univers provine din stele, spațiu interstelar, neutrini și fotoni ai radiației cosmice de fond. Însă nu însuma totalitatea entropiei. Astfel, în 1972, fizicianul Jacob Bekenstein sugerează că entropia unei găuri negre ar trebui să fie proporțională cu suprafața acesteia. Teoria fost ignorată, deoarece era considerat că acestea nu emit radiații, deci nu au temperatură…de unde entropie? Stephen Hawking a vrut să demonstreze că teoria lui Bekenstein era greșită, dar spre surprinderea lui, rezultatele sale au demonstrat că, într-adevăr, găurile negre emit radiații (numite acum radiații Hawking) și chiar au temperatură. Așadar, Hawking a continuat cercetarea lui Bekenstein, fiind determinat să afle câtă entropie au găurile negre. S-a determinat că gaura neagră supermasivă Sagittarius A* are de 1000 de ori mai multă entropie decât Universul observabil timpuriu. Așadar, aproape toată entropia din Univers provine de la găurile negre, de aceea absența lor este o cauză a morții termice a Universului.

Nota de final

Acum, răspunsul la întrebarea ”Este viața o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii?” poate căpăta o nuanță subiectivă. Cu toate acestea, ideea că o mărime de stare este motivul pentru care viața are o direcție, un sens și un sfârșit deprimant inevitabil te pune pe gânduri.
Evident, subiectul este mult mai larg, de aceea vă las și vouă, un pic mai jos, sursele care m-au inspirat, împreună cu alte recomandări de lectură. Dacă ați ajuns până aici, vă mulțumesc și mă înclin.

Nu uitați, uneori trebuie să ne luptăm cu demoni pentru a afla adevărul!

Lecturi:

• The Most Misunderstood Concept in Physics
• How Life (and Death) Spring From Disorder
• Entropia Bekenstein-Hawking