בטרם נתחיל לדון בחוקי התרמודינמיקה, במשמעות שלהם, בתוצאותיהן של ניסיונות לעבור על חוקים אלו ועוד – רצוי ראשית "ליישר קו" ולהבין את השפה בה מתארים אותם.
כשמושגים כמו "אנרגיה" "אנטרופיה" ו-"זה בניגוד לחוק השני של התרמודינמיקה" מתערבבים בדיוני היום-יום, כדאי להיות בטוחים שאנחנו יודעים על מה אנחנו מדברים.
מערכת – סך כל הדברים שמעניין אותנו להסתכל עליהם כישות אחת. תחמו אותם בגבול (הוא לא חייב להיות מוחשי – גם זמן התחלה וסיום מגדירים גבולות), החליטו אם אתם רוצים לאפשר יחסי גומלין עם החוץ (משמע מערכת פתוחה) או לא (מערכת סגורה) – והנה מערכת.
אנרגיה – יכולתה של מערכת לבצע פעולות. לרוב אפשר יהיה להגדיר את הפעולה ביכולת "להזיז דברים ממקום למקום". אז אפשר יהיה להגדיר "עבודה" בתור "מכפלת הכוח הפועל במערכת בדרך שעשה מנקודת ההתחלה לנקודת הסיום" (ליתר דיוק, נחליף "מכפלה" ב-"סכום המכפלות לאורך קטעי דרך בהם הכוח קבוע" ונכפיל רק את רכיבי הכוח שמקבילים לדרך), ו"אנרגיה" בתור "המאפיין של המערכת שעבר שינוי בעקבות העבודה". כפי שניתן להבין, ישנן המון צורות של אנרגיה: קינטית, גרעינית, תרמית, כימית, אלסטית. מה שחשוב לזכור הוא שיש לה גודל מדיד, ושהיא יכולה לעבור מצורה אחת לאחרת (האנרגיה הפוטנציאלית-כבידתית של צנחן בדלת המטוס הופכת לקינטית ככל שהוא נופל למטה, ואז חלקה הופך לתרמית כשהוא פותח את המצנח – בגלל החיכוך עם האוויר).
אנטרופיה – לרוב מתרגמים את זה ל-"רמת אי-הסדר", אבל זה לא מדויק. מה שלאחד נראה כמו בלאגן – אחר ימצא בו חוקיות ברורה (או כמו שאמרה הסטודנטית שלי כשהמנחה שלי טען ששולחן העבודה שלי מבולגן: "הכל בערימות קטנות מסודרות, פשוט יש כל כך הרבה מהן!"). הגדרה טובה יותר תהיה "כמות המצבים במערכת שיש להם אותם מאפיינים". מה זה אומר למעשה?
נתאר לעצמנו חדר משחקים בו יש רצפה, מדפים בגבהים שונים על הקירות כדי לסדר עליהם את הצעצועים – צעצוע על כל מדף, ומספר נתון של צעצועים. חדר המשחקים הזה הוא המערכת שלנו. לצורך הפשטות שפיזיקאים אוהבים, נניח שלכל הצעצועים יש אותה מסה, ושלאף אחד מהם אין חלקים נעים או סוללות. עוד נניח שאסור להוציא צעצועים מהחדר או להכניסם אליו – אז מספר הצעצועים קבוע, וכרגע אין אף אחד בחדר שמשחק בצעצועים (כלומר – בכל מקום בו הם נמצאים, הם פשוט מונחים שם. אם הם לא זזים, האנרגיה היחידה שיש לצעצועים היא פוטנציאלית, והיא תלויה בגובה המדף שעליו הם נמצאים). אם כל הצעצועים מסודרים על המדפים, יש למערכת אנרגיה מסוימת. אם חלק מהצעצועים נמצאים על הרצפה במקום על המדף, יש לה פחות. מה שחשוב שנבין הוא שזה לא משנה אם הדובי נמצא על המדף והבובה על הרצפה, או להיפך, למערכת יש אותה אנרגיה, למרות שאלו שני מצבים שונים. מה שעוד חשוב שנבין זה שברגע שכל הצעצועים על הרצפה, לא אכפת לנו אם הרכבת נמצאת בין הדובי למטוס, או להיפך, זו עדיין אותה רמת אנרגיה, למרות שהמצבים שונים. עכשיו ברור לנו אינטואיטיבית שככל שיש יותר צעצועים על הרצפה, יש יותר דרכים לפזרם, ולכן לפי הגדרת האנטרופיה, יש יותר אנטרופיה במערכת. זה משתלב יפה עם ההגדרה ל"יותר אי-סדר בחדר".
אגב, אם יש צעצוע עם חלקים נעים, אז כל ארגון של החלקים הוא "מצב" נפרד. נחשו מה זה עושה לאנטרופיה.
טמפרטורה – ההגדרה התרמודינמית של טמפרטורה היא "הנגזרת של האנרגיה לפי האנטרופיה". בשפת לא-פיזיקאים זה אומר שהטמפרטורה היא היחס בין השינוי באנרגיה לשינוי באנטרופיה. האנטרופיה עלתה קצת, וגם האנרגיה עלתה קצת? טמפרטורה חיובית ונמוכה. האנטרופיה עלתה קצת והאנרגיה עלתה הרבה? טמפרטורה גבוהה יותר. האנטרופיה עלתה ולאנרגיה לא קרה כלום? מזל טוב. הגעתם לאפס המוחלט (על האפס המוחלט ראו פוסט מקורות, אבל נזכיר שוב שזוהי הטמפרטורה הנמוכה ביותר אליה ניתן, תיאורטית, להגיע).
עכשיו אפשר להתחיל לדבר על שלושת חוקי התרמודינמיקה.
החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא חוק שימור האנרגיה – כפי שהוא מתייחס למערכות. החוק אומר שלכל מערכת, האנרגיה האצורה במערכת שווה להפרש בין האנרגיה שנכנסה למערכת לאנרגיה שיצאה מהמערכת. ספציפית: במערכת סגורה (שום דבר לא נכנס, שום דבר לא יוצא) כמות האנרגיה היא קבועה. במילים פשוטות: אנרגיה יכולה לעבור מצורה אחת לאחרת, היא יכולה להפוך לחומר ומחומר – E=mC². אולי פשוט צריך להתייחס לחומר כאל "עוד צורה של אנרגיה" ולהוסיף את האופציה הזאת למגוון הגלגולים שאנרגיה יכולה לעבור, אבל היא לא יכולה להיווצר יש-מאין, והיא לא יכולה להיעלם בלי להשאיר עקבות.
החוק השני של התרמודינמיקה אומר שבמערכת סגורה האנטרופיה נוטה לעלות; במצב שיווי משקל האנטרופיה נמצאת במקסימום. כלומר, כדי להקטין את האנטרופיה, ולו זמנית, צריך להשקיע אנרגיה. כיוון שהיקום הוא (ככל הנראה) מערכת סגורה, לרוב החוק הזה מצוטט כ-"האנטרופיה ביקום לא יכולה לרדת". אחת ההשלכות של החוק הזה היא שאנרגיה לא נעלמת בלי להשאיר עקבות אף פעם, אבל היא כן יכולה להתפזר (לרוב כאנרגיה תרמית) ולהפוך בלתי ניתנת לניצול, כי כל ניסיון לאסוף אותה בחזרה משמעו הקטנת האנטרופיה, ולכן דורש השקעה של אנרגיה נוספת – לא משתלם בעליל. ברוכים הבאים לעולם האמיתי.
החוק השלישי של התרמודינמיקה אומר שככל שהטמפרטורה של מערכת מתקרבת לאפס המוחלט, האנטרופיה של המערכת מתקרבת למינימום. ניסוח אחר של החוק השלישי אומר ש-"אי אפשר להגיע לאפס המוחלט במספר סופי של צעדים".
למי שרוצה לזכור את החוקים, צ'ארלס פרסי סנואו ("הברון סנואו") ניסח גרסה משעשעת:
"החוק הראשון של התרמודינמיקה: אי אפשר לזכות" (אנרגיה אינה נוצרת יש-מאין, ולעולם לא תוציא ממערכת יותר אנרגיה ממה שהכנסת לתוכה)
"החוק השני של התרמודינמיקה: אי אפשר לסיים בשוויון" (אנטרופיה אינה יורדת, חלק מהאנרגיה תמיד "יתבזבז").
"החוק השלישי של התרמודינמיקה: אי אפשר לפרוש מהמשחק" (הקשר בין אנרגיה ואנטרופיה נשבר רק באפס המוחלט, ואליו אי אפשר להגיע).

לפוסט הבא בסדרה >>

מקורות והרחבה:

• קצת על אנרגיה
• עוד קצת על אנרגיה
• לפרק על האפס המוחלט

Photo credit: Angie [A Whole Lot of Nothing] / Foter / CC BY-NC-ND

עריכה לשונית: שלומי ג'מו