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.
