החוק השני של התרמודינמיקה

החוק השני של התרמודינמיקה קובע שבמערכת סגורה האנטרופיה גדלה עם הזמן. אנטרופיה היא מדד לאי־סדר או לפיזור האנרגיה במערכת. משמעות החוק היא שתהליכים טבעיים נוטים לכיוון שבו האנרגיה הזמינה לעבוד יורדת. תהליכים אלה בדרך כלל אינם הפיכים בלי הוספת אנרגיה מבחוץ.

החוק נוסח במאות ה־19 על ידי מספר חוקרים. סאדי קרנו הראה שמנוע אידיאלי, שמכונה כיום מנוע קרנו, הוא החסר בזבוז החום האפשרי בין מקור חם ומקור קר. מכאן נבע שהנצילות של כל מנוע חום מוגבלת על ידי הפרש הטמפרטורות בלבד. ג'יימס ג'ול הראה שניתן להמיר עבודה לחום, וקלאוזיוס שילב את התובנות האלו כדי לנסח את הרעיון של אנטרופיה ואת אי־הפיכות התהליכים.


בתקופת הופעת החוק היו דעות שונות על טבע החום. קרנו עבד על רעיונות לגבי מנועי קיטור, ופיתח דגם אידיאלי שממחיש שהעברת חום בין מקור חם לקר בלבד יוצרת עבודה. עבודתו של אמיל קלפרון ניסחה את הרעיון באופן מתמטי, וקלאוזיוס הרחיב והגדיר את הערך שאותו קרא אנטרופיה.


בהגדרה פשוטה, בשני תהליכים מחזוריים שינוי האנטרופיה הכולל אינו יכול להיות שלילי: ΔS ≥ 0. שוויון מתקיים רק בתהליך הפיך, כלומר בתהליך שניתן להפעילו גם לאחור ללא איבוד חום.


החוק מונע יצירת מכונות תנועה נצחית שאפילו היו מנצלות חום ממקור אחיד. הוא מסביר גם מדוע מקרר מחמם בסופו של דבר את החדר שבו הוא פועל, כי קירור מקומי דורש השקעת אנרגיה שמפזרת חום במקום אחר. בנוסף, עליית האנטרופיה נותנת כיוון לזמן: הכיוון שבו האנטרופיה גדלה הוא כיוון הזמן המבחין בין עבר לעתיד.


החוק שולל מכונות שיכולות להפיק עבודה בלי להוריד את האנטרופיה במקום אחר. לכן אין דרך לקחת חום ולהפוך אותו כולו לעבודה בסביבה אחת בלי יצירת השפעה חיצונית.


בעוד שמשוואות יסודיות רבות סימטריות בזמן, החוק השני מציג תהליך שאינו הפיך. עליית האנטרופיה היא מה שמבדיל באופן ממשי בין עבר לעתיד.


אם האנטרופיה ביקום ממשיכה לעלות וכל האנרגיה הופכת ללא זמינה לעבודה, היקום יגיע למצב של שיווי משקל שאז כמעט לא יתרחשו תהליכים. רעיון זה מכונה "מות החום" ונדון כבר במאה ה־19.


החוק מופיע בסיפורים ובסדרות בדיוניות בהקשרים של מכונות זמן, הזדקנות ותהליכים בלתי־הפיכים.

החוק השני של התרמודינמיקה אומר שבמערכת סגורה אי־הסדר גדל עם הזמן. אי־הסדר נותן שם רשמי: אנטרופיה. אנטרופיה = כמה האנרגיה מפוזרת ולא זמינה לעבודה.

זה אומר שאנרגיה שמשתחררת לרוב מתפזרת כחום ולא ניתנת להשבה בקלות. חום זורם תמיד מהחם לקר, ולא באופן ספונטני מהקר לחם.


מדענים כמו סאדי קרנו והאחרים חשבו על מנועים וחום במאה ה־19. קרנו תיאר מנוע אידיאלי שמראה מהי הנצילות המקסימלית שניתן להשיג.


בפשטות, בסיבוב של תהליך האנטרופיה לא יורדת. רק בתהליך מיוחד שנקרא הפיך היא יכולה להישאר קבועה.


מקרר מקרר חלק מהדברים אבל מחמם בסך הכל את החדר. אי־אפשר לבנות מכונה שמייצרת עבודה בלי להשפיע על הסביבה. זה מונע גם רעיון של "תנועה נצחית".


העובדה שאנטרופיה גדלה נותנת כיוון לזמן. כיוון זה מפריד בין עבר לעתיד.


החוק מוזכר בספרים ובסדרות כדי להסביר למה דברים לא חוזרים בדיוק לאחור.