sunnuntai 30. joulukuuta 2012

Ikiliikkuja ja demoni pannuhuoneessa

Lukemattomissa populaaritieteellisissä artikkeleissa viitataan termodynamiikan toiseen pääsääntöön. Yleensä se esitetään siten, että lämpöä tai energiaa ei voi siirtyä matalasta lämpötilasta korkeampaan. Jos voisi, tuloksena olisi niin sanottu toisen lajin ikiliikkuja. Ja sehän ei sovi. Kosminen poliisi kun on kieltänyt kaikenlaiset ikiliikkujat. Yleensä myös korostetaan toisen pääsäännön mahtavuutta. Sen sanotaan olevan yksi niistä fysiikan laeista, jotka jokainen universumin teknistynyt sivilisaatio tuntee.

No, tämä kaikki on aivan totta. Mutta jokin tässä minua kiusaa. Nimittäin se, että termodynamiikan toinen pääsääntö esitetään usein kovin epätyydyttävästi ja sekavasti. Ehkä se on kirjoittajalle itsestään selvä, mutta lukija voi jäädä hämmennyksen tilaan. Nimittäin, istun nyt olohuoneessani. Ottamalla kymmenkunta askelta pääsen entiseen pannuhuoneeseen, joissa hyrrää maalämpöpumppu. Muutamalla napin painalluksella näen pumpun ohjauspaneelilta, että juuri nyt maan alta virtaa pumppuun noin 0,1 asteen lämpötilassa olevaa kylmänestettä, ja että pumpusta virtaa pattereihin +44 - asteista vettä. Toki pumppu kuluttaa sähköä, mutta vain murto-osan pattereihin menevän veden energiamäärästä. Enhän sitä muuten olisi ostanut. Minulla on siis toisen asteen ikiliikkuja pannuhuoneessa. Odotan vain, koska kosminen poliisi koputtaa ovelleni.

Termodynamiikan toista pääsääntöä ei tietääkseni ole pantu viralta. Minulla ei ole pannuhuoneessani myöskään Maxwellin demonia, joka voisi kätevästi ratkaista taloni lämmityksen ongelman. Maxwellin demoni on kuvitteellinen kaveri, joka säätää kylmä- ja kuumavesipiirin välistä venttiiliä. Kun venttiiliä lähestyy kylmältä puolelta keskimääräistä kuumempi – eli nopeampi vesimolekyyli, demoni avaa hetkeksi venttiilin ja päästää molekyylin patteriveteen. Kylmät molekyylit se torjuu tai laskee päinvastaiseen suuntaan. Totean nyt vain lyhyesti, että en käytä demonia, ja sitä paitsi kvanttifysiikka jopa kieltää Maxwellin demonin käytön. Koska se on hiukan hankalampi juttu, en sano siitä sen enempää.

Joten ehkä pitää katsoa tarkemmin toisen pääsäännön määritelmää. Oikeasti se pätee vain suljetussa järjestelmässä. Tämä tärkeä lisäys puuttuu liian usein populaaritieteellisistä artikkeleista. Suljetussa järjestelmässä lämpö todella siirtyy vain korkeammasta lämpötilasta matalampaan, ja lopulta kaikki lämpötilaerot tasoittavat. Mutta taloni ei olekaan suljettu järjestelmä, koska se on putkien kautta yhteydessä syvälle kallioperään. Aivan oikein, pumppu näyttää että maaperään palaava neste on 2,5 astetta pakkasen puolella. Luon talooni lämpöä jäähdyttämällä maaperää. En pode tästä suurtakaan syyllisyyttä. Taloni lämmöntarpeen kannalta geoterminen energiavarasto on ehtymätön.

Toinen suosittu tiedelehtien väite on, että laiva ei voi käyttää hyväkseen valtameren lämpövarastoja. Mutta kyllä se voisi, jos insinöörit niin säätäisivät. Trooppisella merellä laiva imisi sisäänsä 20- asteista merivettä, ja jättäisi jälkeensä kylmän veden vanan. Pienen dieselkoneen tai tuulisähkögeneraattorin käyttämä lämpöpumppu kuumentaisi pääkoneina toimivien kuumakaasumoottoreiden työkaasun. Laivakin on avoin järjestelmä, eikä sen tarvitse piitata toisesta pääsäännöstä. Miksi näin ei tehdä? En ole tehnyt laskelmia, mutta se ei ehkä vielä kannata. Polttoaine on halpaa, ja purjehtiminen on aina varteenotettava vaihtoehto.

Toisen pääsäännön hankalimmat populaaritulkinnat liittyvät informaatioteoriaan. Lämpötilaero voidaan tulkita järjestykseksi, ja sen puutetta sanotaan epäjärjestykseksi eli entropiaksi. Toinen pääsääntö voidaan lausua myös: suljetussa järjestelmässä entropia kasvaa. Informaatio on tahallaan luotua järjestystä, joten ihmisen toiminnan pitäisi vähentää kokonaisinformaation määrää. Mutta intuitio sanoo, että ihminen nimenomaan tuottaa informaatiota, eli ihmisten infosfääri rikkoo toista pääsääntöä. Myös elämä maapallolla on materian järjestyksen kasvua, eli pääsäännön vastaista. Taas kerran selitys on sama: Maa ei ole suljettu systeemi.

Talouselämän kannalta maapallo on suljettu. Teollistuneet maat ovat tosin hakeneet kasvunsa kehittymättömien maiden resursseista, ne ovat olleet Maan sisällä avoimia systeemejä. Mutta globalisaatio muuttaa koko maailmantalouden suljetuksi systeemiksi, jolloin maiden välisten erojen on pakko alkaa pienentyä.

Fysiikan soveltaminen niin monitulkintaisiin asioihin kuin informaatio tai talous on tietysti hyvin altista tulkintaeroille. Tulkinnan kannalta systeeminäkökulma on tärkeä, systeemirajan asettaminen erottaa toisistaan suljetun ja avoimen systeemin, eikä se ole aina itsestään selvää. Uskon, että systeemiteoria on tulevaisuuden mahtitiede.