Gyorskeresés

Miért kell még egy főtétel?! 4928

A termodinamika I. főtétele számos folyamatot megtilt: semmi olyan nem lehetséges, amiben energia eltűnne, vagy energia születne a semmiből. Azonban rengeteg olyan folyamatot tudunk elképzelni, amit a termodinamika I. főtétele megenged (azaz közben nem sérti meg az energiamegmaradást), mégsem tapasztaljuk sohasem. Nézzünk ilyen példákat!

 1. példa 

Ha egy melegebb és egy hidegebb testet egymás közelébe teszünk, akkor spontán módon mindig a melegebb hűl le, a hidegebb melegszik fel, azaz a hő a melegebb felől a hidegebb felé áramlik, egészen addig, amíg végül azonos lesz a hőmérséklet mindenhol. De olyat sosem tapasztalunk, hogy egy melebegg és egy hidegebb testet összeérintve a melegebb még jobban felmelegszik, a hidegebb pedig még jobban lehűl. Pedig ez a folyamat az energiamegmaradást (I. főtétel) nem sértené. Arra is hiába várunk, sosem tapasztaljuk, hogy egy mindenhol egyenletes hőmérsékletű test egyik része egyszer csak spontán lehűlne, a másik része pedig felmelegszene. Pedig ez sem sértené az energiamegmaradást. A tapasztalatokban mindig megjelenő "spontán" folyamattal ellentétes irányú folyamat magától (spontán módon) sosem játszódik le. Külső beavatkozásra természetesen igen, például a hűtőszekrény a konnektorból felvett energia segítségével a benne lévő, eleve hidegebb tárgyakat (ételeket) még jobban lehűti, a hátsó meleg rácsán leadott hő révén pedig az eleve melegebb környezetet (konyhát) még jobban felmelegíti. De ez nem spontán (magától) lejártszódó folyamat; ennek lejátszódásához külső energiaforrás, munkavégzés szükséges: a hűtőgép kompresszorának működtetéséhez.

 2. példa 

Ha egy gázzal telt tartályt (bal) egy üres (vákumszivattyúval leszívott, jobb) tartályal összekötünk, majd a csapot kinyitjuk, akkor a gáz spontán szétterjed, és mindkét tartályban egyenletesen oszlik el. De hiába várunk bármilyen sokat is, olyat nem tapasztalunk, hogy az egyenletesen szétoszlott gáz egyszer csak összegyűlik a rendelkezésére álló tér egyik felébe. A spontán folyamat a vele ellentétes irányba spontán módon sosem játszódik le.

 3. példa 

Ha egy "A" gázt tartalmazó tartályt egy másfajta "B" gázt tartalmazó tartállya összekötünk, majd a csapot kinyitjuk, akkor a gázok spontán összekeverednek, és mindkét tartályban egyenletesen oszlanak el. De hiába várunk bármilyen sokat is, olyat nem tapasztalunk, hogy az egyenletesen szétoszlott, keverék gáz egyszer csak szétválik, és az egyik fajta gázmolekulák összegyűlnek a rendelkezésére álló tér egyik felébe, a másikak pedig a másik felébe. A spontán folyamat a vele ellentétes irányba spontán módon sosem játszódik le.

 4. példa 

Ha egy pohár teába kristálycukrot szórunk, a cukor spontán feloldódik a teában és egyenletesen szétoszlik benne. De hiába várunk bármilyen sokat is, olyat nem tapasztalunk, hogy az egyenletesen szétoszlott (korábban feloldott) cukor egyszer csak kiválik, kikristályosodik a teából, és egy kristálycukor megjelenik a teában. A spontán folyamat a vele ellentétes irányba (spontán módon) sosem játszódik le.

Ezen kívül még számos furcsa folyamatot megengedne az első főtétel, de mégsem tapasztaljuk: egy pohárnyi, a földre kiöntött víz összerándul és visszaugrik a pohárba. Egy pohár vízben a víz egy része energiát leadva lehűl és jégkockává fagy, a víz többi része pedig a jéggé fagyó víz által leadott energiát felvéve felmelegszik. Vagy egy pohár ital tetején úszkáló jégkocka a környezetétől elvont energiából hirtelen mozgási energiára tesz szert és kiugik a pohárból, a visszamaradt ital pedig a jégkockának adott energiának megfelelő mértékben lehűl.

Az a tapasztalati tény, hogy az első főtétel által megengedett folyamatok egy része sosem következik be, szükségessé tette, hogy újabb (második) főtételt is megfogalmazzunk, melynek segítségével a tapasztalatnak megfelelően, kellően leszűkül a lejátszódható folyamatokat sora, azaz a sosem tapasztaltaknak már mindegyike tiltott lesz. Az I. főtétel csak "részben" végezte el ezt a feladatot.

Ha jobban megnézzük a fent tárgyalt folyamatokat, azt látjuk, hogy a rendezettebb állapotból spontán kialakulhat rendezetlenebb állapot, de fordítva sosem. Rendezett alatt azt értve, hogy a "különböző dolgok" külön helyeken vannak (térben szétválasztva). A spontán lejátszódó folyamatok elején mindig vannak valamilyen különbözőségek a rendszeren belül, a legvégén viszont már nincsenek. Tudományos terminológiával élve kezdetben az intenzív állapotjelzők (nyomás, hőmérséklet, koncentráció) valamelyikében különbségek, eltérések, inhomogenitások vannak, azaz az intenzív állapotjelzők szempontjából a rendszer eltérő részei térben el vannak különülve. Például a hidegebb része itt, a melegebb ott. Vagy a kisebb nyomású része itt, a nagyobb nyomáső része ott. A spontán folyamat során aztán a különbségek egyre csökkennek. A spontán folyamat akkor áll le, amikor a különbség már megszűnt, a rendszer homogenizálódott, egyneművé vált.

Úgy is szokás mondani, hogy a különbségek eltűnnek, minden "kigró érték" (akár magasabb a többinél, akár alacsonyabb) végül egyenletesen szétoszlik az egész rendszerben.

A térben megjelenő különbségeket szokás "rend"-nek tartani. Akkor van rend, ha a cipők mind a cipősszekrényben vannak, az evőeszközök pedig mind a konyhaszekrényben. Ha mindenféle tárgy mindenhol egyenletesen van jelen, azt pedig "rendetlenség"-nek, rendezetlenségnek szoktuk hívni. Ezzel a szóhasználattal élve a spontán folyamatok során a rendezettség mindig csökken, a rendszer az egyre rendezetlenebb állapotokba kerül. Magától nem szokott "rendve rakódni" a szoba. Spontán módon nem játszódik le olyan folyamat, melyben a rendszer rendezettsége nőne.

A kávé habját kanállal kevergetve a kezdeti mintázat (rend) mindig csak eltűnni szokott. Nem tapasztalunk olyat, hogy a kevergetés végére újra kirajzolódik a szmájli.

De mit is jelent pontosan az a kikötés, hogy "spontán"?
Ahogy egyből "természetellenes"-nek látunk bizonyos filmeket visszafelé lejátszva (ez is jó meg ez is).

A hűtőszekrényekben általában 6 ºC körüli hőmérséklet van. Ha beteszünk egy 15 ºC-os ételt, és a szobában 25 ºC van, akkor a hűtő lehűti az ételt, elvon tőle hőt, és leadja a szobának. Tehát a 15 ºC-os, alacsonyabb hőmérsékletű ételből áramlott a hő a 25 ºC-os, magasabb hőmérsékletű szoba felé. Eddig azt mondtuk, hogy ilyn spontán nem lehetséges, hiszen spontán módon mindig a magasabb hőmérsékletű térrész felől áramlik a hő az alacsonyabb hőmérsékletű felé. Ez most is így van. Ugyanis a hűtőszekrényben a hő nem spontán, nem magától megy a melegebb hely felé, hanem ehhez dolgoznia kell a hűtőgép kompresszorának. Munkát kell végeznie, és a munkavégzéséhez "rendezett" energiát kell elhasználnia, amit a konnektoron keresztül a villamosenergia-hálózatból (az erőművektől) szerez. Ha hűtőgépet kihúzzuk a konnektorból, akkor a hő mindig a magasabb hőmérsékletű hely felől fog az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé áramlani.