"איך אתה יודע שאתה פיסיקאי? כשאתה מסרב לסדר את החדר כדי לא להחיש את קץ היקום" (בדיחה נפוצה במסדרונות הפקולטה לפיזיקה).
תזכורת: החוק השני של התרמודינמיקה אומר: "במערכת סגורה האנטרופיה נוטה לעלות. במצב שיווי משקל האנטרופיה נמצאת במקסימום". כלומר, כדי להקטין את האנטרופיה, ולו זמנית, צריך להשקיע אנרגיה.
למה החוק השני מקבל פרק נפרד? ובכן, זהו חוק שמגדיר לא רק מה אפשר ואי-אפשר לעשות עם אנרגיה, אלא גם את כיוון הזמן.
נצילות, החוק השני של התרמודינמיקה, ומשרד הפטנטים האמריקני
כאמור, רוב המנועים שאנחנו מכירים הם מנועי חום – מנצלים אנרגיה תרמית כדי לבצע עבודה. כפי שהסברנו בפרק המוקדש להם, מנועי חום אידיאליים הם המנועים היעילים ביותר. אם נגדיר "נצילות" כ"היחס בין העבודה שהוצאנו מהמערכת לאנרגיה שהכנסנו למערכת" נגלה שלפי החוק הראשון, הנצילות המקסימלית של מנוע ("המערכת שלנו") שווה ל-1. הבעיה היא שנצילות מקסימלית של מנוע מחייבת תהליך הפיך, ובתהליך הפיך האנטרופיה נשארת קבועה. לעומת זאת, אם נסתכל על המנוע שלנו כעל תת-מערכת, ועל כל סביבתו כתת מערכת שניה, אנחנו מקבלים מערכת אחת סגורה. ובמערכת סגורה האנטרופיה עולה, ולא נשארת קבועה. כיון שכך, אפשר לנסח את החוק השני (יש לו הרבה ניסוחים [1]) כך: "אי אפשר להמיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית ביעילות של 100%". כלומר, חלק מהאנרגיה תמיד יישאר כאנרגיה תרמית.
טוב, בסדר. לא נשתמש במנועי חום. נמצא איזה מאגר אנרגיה אחר וננצל אותו. כיוון שבסופו של דבר אנחנו רוצים איזו עבודה מכנית, אי שם לאורך הדרך יהיו חלקים נעים, גם אם אלה רק אלקטרונים בחומר מוליך. חלקים נעים יוצרים חיכוך, חיכוך יוצר חום, חום הוא אנרגיה תרמית שאי אפשר להמיר בשלמות לאנרגיה מכנית... והגענו שוב לנקודת ההתחלה: אי אפשר לנצל את כל האנרגיה שהשקענו.
השלכה די חשובה של ההבנה הזאת היא שלאורך פעולתה של מכונה – היא מאבדת אנרגיה. בקצב איטי אם היא יעילה, מהיר יותר אם היא פחות יעילה, אבל בסופו של דבר תיגמר לה האנרגיה, וכדי שהיא תמשיך לפעול נצטרך להשקיע עוד אנרגיה. במילים אחרות: אין מכונה שתעבוד לנצח באופן עצמאי (perpetuum mobile machine). זה עיקרון כל כך בסיסי, וכל כך מתסכל, שמשרד הפטנטים האמריקאי מסרב לקבל פטנטים שמתיימרים לבנות מכונה כזאת (למרות שלאורך השנים, הרבה ניסו לתכנן אחת [2]).
החוק השני וציר הזמן
אחד הסימנים של תהליך הפיך הוא שהוא אינו משנה את האנטרופיה במערכת. סימן אחר הוא שאם "מריצים אותו לאחור" הוא נראה אותו דבר. תהליכים בלתי הפיכים מגדילים את האנטרופיה. תמיד. הנה לנו כיוונו של ציר הזמן: "קדימה" הוא הכיוון שבו האנטרופיה גדלה. מה שאומר שאם שברים מתכנסים לכדי כוס שלמה, או שהבית מסדר את עצמו (עזבו, נושא כאוב), אפשר להניח בביטחון מלא שהזמן נע לאחור.
ומה זה אומר על גורלו של היקום?
בתור מערכת סגורה (ככל הידוע לנו), צפוי שהאנטרופיה ביקום תלך ותעלה, עד למצב שיווי משקל. במצב שיווי משקל, כל המקומות ביקום יהיו באותה טמפרטורה, ואי אפשר יהיה יותר לבצע שום עבודה. וזה יהיה הסוף. החדשות הטובות הן שג'ון באאז (John Baez) מאוניברסיטת ריברסייד בקליפורניה חישב כמה זמן זה ייקח [3], והגיע לתוצאה האסטרונומית של 26^10 שנים. מספיק זמן לגלקסיות להתנגש, לכל המימן שביקום להיגמר כתוצאה של היתוכים גרעיניים, לכוכבים לכבות ולהצטנן כי נגמר להם הדלק, ולחורים שחורים להתאדות. זה בסדר, השמש שלנו תהפוך לננס לבן עוד הרבה קודם.
ובנימה אופטימית זו...

<< לפוסט הקודם בסדרה   לפוסט הבא בסדרה>>

מקורות:

• [2] "פרפטום מובילה" רן לוי, ספריית מעריב

עריכה לשונית: שלומי ג'מו