Drugi zakon termodinamike je jedini fizikalni zakon (prije kvantne mehanike) u kojemu je bitna razlika između prošlosti i budućnosti. Npr. u mehanici: ako pri bilo kojem hitcu (zanemarujemo otpor zraka) u bilo kojoj točki obrnemo smjer brzine, tijelo će se vratiti točno po istoj putanji na početni položaj, za jednako vremena, s brzinom koja je jednaka početnoj.
Drugim riječima, da snimimo neki takav hitac, i pustimo snimku unatrag, sve bi se i dalje odvijalo po istim fizikalnim zakonima. Obrtanje smjera vremena ne narušava te zakone. Isto je i sa savršeno elastičnim sudarom: ako se dvije kuglice sudare i odbiju, pa tu snimku pustimo unatrag, sve će se odvijati prema istim zakonima fizike – opet dvije kuglice idu jedna prema drugoj i savršeno se elastično odbijaju.
Dakle, pri mehaničkim procesima možemo obrnuti vrijeme i sve i dalje vrijedi: kažemo da su ti procesi povratni ili reverzibilni.
To vrijedi i za zakon o očuvanju energije: npr. dok tijelo slobodno pada smanjuje mu se gravitacijska potencijalna energija a povećava kinetička energija, ali tako da im zbroj (odnosno ukupna mehanička energija) ostane stalno jednak.
U obrnutom slučaju, kad tijelo bacimo u vis, smanjuje se kinetička a raste gravitacijska potencijalna energija, dok je ukupna energija i dalje stalno jednaka, očuvana.
No, što je s tom energijom kad tijelo padne na tlo, kad više nema ni kinetičku ni potencijalnu energiju? Gdje je nestala energija? Je li time narušen zakon o očuvanju energije? Ne. Tijelo i podloga su se pri udarcu malo zagrijali, a toplina koja se pri tom razvila točno je jednaka ”nestaloj” mehaničkoj energiji – dakle, mehanička je energija prešla u toplinu pa i tada vrijedi očuvanje energije.
Egp=Ek=Q
Međutim, taj zakon ne priječi ni obrnuti slučaj, da se npr. podloga na kojoj tijelo miruje spontano malo ohladi, tako da toplina prijeđe na tijelo koje time dobije energiju da odleti u vis! 😮 Time ne bi bio narušen zakon o očuvanju energije: kinetička energija tijela koje spontano skoči uvis sa stola bila bi jednaka toplini koju stol izgubi.
Ipak, to se ne događa. Mada vrijedi jednakost Q=Ek, ona se zapravo ponekad može odvijati samo u jednom smjeru. Dok se Ek->Q događa, obratno Q->Ek se uglavnom spontano NE događa.
Prvi zakon termodinamike je zapravo jedan oblik zakona o očuvanju energije pa je za ozakonjenje činjenice da se takve stvari ne događaju bio potreban jedan novi zakon. Drugi zakon termodinamike kaže upravo to: toplina ne prelazi spontano s hladnijeg na toplije tijelo.
Dakle, toplinske pojave su nepovratne ili ireverzibilne: pustimo li unatrag snimku prijelaza topline sa toplijeg na hladnije tijelo, vidjet ćemo spontani prijelaz topline sa hladnijeg na toplije tijelo, odnosno nešto što se u prirodi ne događa i što se protivi drugom zakonu termodinamike. Ili, kad bismo pustili unatrag snimku nekog pada na tlo (pri kojemu je mehanička energija prešla u toplinsku), dobili bismo upravo ono što zabranjuje drugi zakon termodinamike: da se podloga ohladila, predala tu energiju tijelu i ono je spontano skočilo uvis.
Ali, tu se pojavljuje problem. Kod idealnih plinova smo sve toplinske pojave potpuno objasnili mehaničkim veličinama (npr. temperaturu kinetičkom energijom molekula). Slično, mada složenije, vrijedi i za ostale vrste tvari. Ako toplinske pojave nisu bitno drugačije od mehaničkih, kako to da se toplinske pojave odvijaju jednosmjerno (”ireverzibilno”, nepovratno, s toplijeg na hladnije), a u mehaničkima nema ničega sličnoga? Otkud nastaje ta razlika između nepovratnih i povratnih procesa? Zašto obrtanje vremena kod jednog elastičnog sudara ne narušava zakone fizike, a kod puno elastičnih sudara (u idealnom plinu) narušava drugi zakon termodinamike?
Kako to da obrtanje smjera vremena u mehanici ne mijenja ništa, a u termodinamici mijenja sve? Ne znači li to da termodinamika ipak nije svodiva na mehaniku?
(Odgovor u sljedećoj epizodi. 🙂 )
paradoksi i misaoni pokusi 