Trƣớc khi tiếp tục đi sâu hơn nữa các hiện tƣợng về vật chất, chúng ta cần thảo luận một định luật phổ biến: định luật về sự gia tăng sự mất trật tự. Mặc dù hơi khó phát hiện hơn so với các định luật đã đƣợc mô tả trƣớc đây, nhƣng định luật này cũng là một định luật quan trọng bởi vì chính nó tạo ra những giới hạn các tác động và khả năng có thể của chúng ta. Một ví dụ quan trọng về nó là những lời giải đƣợc đƣa ra cho các bài toán có liên quan đến sự ô nhiễm môi trƣờng và việc sử dụng năng lƣợng hợp lý. Định luật về tăng sự mất trật tự giúp ta giải thích những điều không thể trong một số lời giải đƣợc đề nghị trƣớc đây.
1. CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG THUẬN NGHỊCH
Hầu nhƣ tất cả các quá trình tự phát xảy ra trong tự nhiên chỉ theo một hƣớng duy nhất, quá trình ngƣợc lại của quá trình này sẽ không tự phát xảy ra nếu không có những tác động từ bên ngoài can thiệp vào. Ví dụ, một khối nƣớc đá tan trong ly nƣớc ấm (hình 5.1). Một quả banh lăn đến khi ngừng lại. Một quả táo chín dần dần tự phân hủy. Chúng ta không bao giờ thấy một khối nƣớc đá tự hình thành trong ly nƣớc nóng, một quả banh đột nhiên tự nó lăn, một quả táo thối rữa trở thành quả táo nguyên.
Hình 5.1 - Minh họa khối nước đá trong ly nước ấm và tự tan chảy.[5]
Các quá trình mà nó tự xảy ra theo cách nào đó nhƣng không bao giờ xảy ra chính xác theo cách ngƣợc lại, quá trình đó đƣợc gọi là quá trình không thuận nghịch. Một kiểm tra đơn giản có hay không của một quá trình không thuận nghịch là hãy tƣởng tƣợng một bộ phim (hình 5.2). Khi phim tiến về trƣớc quá trình đƣợc chiếu theo cách mà nó xảy ra thực sự trong tự nhiên. Tuy nhiên khi phim quay ngƣợc lại, quá trình nghịch đƣợc trình chiếu. Nếu phim chạy ngƣợc trở lại cho thấy quá trình không thể xảy ra một cách tự phát, quá trình ban đầu là không thuận nghịch.
Quá trình không thuận nghịch cho chúng ta một câu hỏi khó trả lời. Tại sao chúng có thể xảy ra theo một chiều khi thời gian thay đổi nhƣng không xảy ra theo chiều ngƣợc lại? Quy luật gì cản trở những quá trình nhƣ thế tự xảy theo chiều ngƣợc lại?
Chúng ta sẽ thảo luận điểm này và giải thích tại sao một số quá trình không thuận nghịch. Các định luật về chuyển động cũng là ví dụ tốt cho các quá trình nghịch khi chúng trở về trạng thái ban đầu. Năng lƣợng có thể đƣợc bảo toàn trong cả hai quá trình. Một khối nƣớc đá đang tan làm lạnh nƣớc chứa khối nƣớc đá. Nếu khối nƣớc đá tự hình thành một lần nữa, năng lƣợng sẽ đƣợc bảo toàn do nƣớc tự trở nên nóng hơn, trở về nhiệt độ ban đầu của nó. Trong trƣờng hợp của quả banh, động năng của quả banh đang lăn bị tiêu hao thành nhiệt năng vì thế quả banh lăn chậm và ngừng lại. Quả banh và bề mặt nó lăn trên đó thì cả hai điều nóng hơn trƣớc. Nếu quả banh bất thình lình bắt đầu lăn một lần nữa, có lẽ, động năng của nó có đƣợc từ nhiệt năng này, quả banh và bề mặt trở nên lạnh hơn khi quả banh lăn nhanh hơn. Tất cả những định luật và định lý khác đều theo cách nhƣ vậy, không có gì ngăn cản quá trình bất kì tự nghịch đảo theo nhƣ các định luật mà chúng ta đã nghiên cứu, tất cả các quá trình có lẽ có tính thuận nghịch, tuy nhiên, hầu hết thì lại không? Tại sao? [5]
2. TRẬT TỰ VÀ MẤT TRẬT TỰ
Một manh mối khá quan trọng về quá trình không thuận nghịch đến từ việc xem xét ví dụ sau. Hãy tƣởng tƣợng rằng một cái chai đƣợc lấp đầy với cát đỏ và cát trắng chia thành hai lớp rõ rệt (hình 5.3). Giả sử ai đó lắc cái chai và trộn lẫn cát màu với nhau. Giới hạn giữa hai màu biến mất; Sự sắp xếp lúc đầu bị phá huỷ và thay vào đó là sự mất trật tự hoàn toàn, có sự sắp xếp cát ngẫu nhiên. Tuy nhiên, không có số lần lắc để phục hồi cát về trạng thái ban đầu của nó. Quá trình mà cát bị trộn lẫn là quá trình không thuận nghịch.
Tại sao không thể lắc ngƣợc để trở về hình dáng ban đầu? Một câu trả lời là “trật tự” đã mất và đƣợc thay thế bởi “sự mất trật tự”. Sự mất trật tự của hệ thống đƣợc tăng lên theo cách nào đó và không thể quay về bằng cánh lắc nhiều hơn. Tất cả các quá trình không thuận nghịch đều có cùng tính chất này- Sự mất trật tự gia tăng khi quá trình xảy ra. Trật tự không bao giờ tự nó tăng lên trong các hệ cô lập. Điều này gợi ý một định luật cơ bản của tự nhiên, một cách gần đúng, đƣợc gọi là định luật tăng sự mất trật tự:
“Những sự thay đổi đang xảy ra trong các hệ thống tự nhiên luôn xảy ra theo cách này,
lượng mất trật tự tổng cộng trong vũ trụ thì không đổi hoặc tăng lên. Nếu sự mất trật tự
tổng cộng tăng lên, quá trình không là không thuận nghịch.”
Hình 5.3 - Minh họa hiện tượng trộn lẫn cát [5]
Định luật này thƣờng đƣợc hiểu nhƣ định luật thứ hai nhiệt động lực học (định luật bảo toàn năng lƣợng đƣợc hiểu nhƣ định luật thứ nhất của nhiệt động lực học).
Hình 5.4 -Minh họa sự sắp xếp có tổ chức và sắp xếp kém tổ chức hơn. [5]
Chúng ta có thể minh họa định luật này bằng cách xem xét một lần nữa các ví dụ về quá trình không thuận nghịch, chúng ta bắt đầu thảo luận vấn đề này với hình 5.4. Sự thiếu trật tự xảy ra trong quả táo đang phân huỷ dƣờng nhƣ rõ ràng. Các phân tử trong trái táo lúc đầu sắp xếp theo hàng một cách có trật tự. Sự sắp xếp sau đó dƣờng nhƣ không có tổ chức, đặc biệt ở giai đoạn cuối của sự phân huỷ, khi vật chất thật sự phân tán vào trong đất và không khí. Những sự thay đổi cũng xảy ra ở mức độ phân tử - các phân tử cacbohydrate trong trái táo còn tƣơi sắp xếp có trật tự cao và phức tạp phân huỷ thành các phân tử nƣớc và cacbon đioxit.
Đôi khi chúng ta phải xem xét cẩn thận hơn để nhận thức rằng sự mất trật tự và trật tự trong một hệ thống đang thay đổi. Một lần nữa ta xét khối nƣớc đá trong cốc nƣớc nóng. Mấu chốt quan trọng ở đây là sự tổ chức năng lƣợng trong hệ thống. Sai biệt chính giữa nƣớc đá và nƣớc là các phân tử trong nƣớc đá có động năng trung bình thấp hơn các phân tử trong nƣớc. Do đó, năng lƣợng trong sự kết hợp của nƣớc và nƣớc đá đƣợc tổ chức sắp xếp sao cho các phân tử có ít năng lƣợng chủ yếu ở một nơi (khối nƣớc đá) và các phân tử có năng lƣợng lớn hơn ở nơi nào đó (nƣớc). Khi các quá trình tan xảy ra, các phân tử bị trộn lẫn, các phân tử nhanh và chậm phân bố khắp hệ thống. Năng lƣợng trung bình thấp hơn năng lƣợng trung bình trong nƣớc lúc đầu (nhƣng cao hơn nhiều khối nƣớc đá), vì thế nhiệt độ của nƣớc lạnh hơn trƣớc khi nƣớc đá tan. Sự sắp xếp ban đầu đã mất và không thể trở lại một lần nữa. Bằng cách nào đó khối nƣớc đá và nƣớc thì khá giống nhƣ những tầng của lớp cát màu, ngoại trừ rằng các phân tử nƣớc lúc đầu đƣợc phân chia cơ bản theo năng lƣợng hơn là màu sắc.
Sự sắp xếp có liên quan đến quả banh đang lăn trên bàn thì tinh tế hơn nhiều. Khi quả banh lăn, tốc độ của các phần khác nhau đƣợc sắp xếp theo một cách đặc biệt. Mỗi phần vật chất xoay quanh tâm của quả banh theo một chuyển động có tổ chức và quy tắc. Sau khi quả banh dừng lại, năng lƣợng tổng cộng thì giống nhƣ lúc đầu. Các thành phần của quả banh (và cái bàn) vẫn đang chuyển động, nhƣng các hƣớng chuyển động là ngẫu nhiên. Thay vì có tổ chức nhƣ trƣớc, các hạt chuyển động trong các mẫu hoàn toàn mất trật tự, đặc tính của nhiệt năng. Một lần nữa sự mất tổ chức tăng lên khi quả banh chuyển động chậm hơn và cuối cùng dừng lại.
Các nhà khoa học thƣờng dùng một đại lƣợng gọi là entropy để đo sự mất trật tự. Các quy luật phức tạp để tính toán và đo entropy đã có. Phát biểu một cách đơn giản, entropy cao áp dụng cho trạng thái mất trật tự cao; entropy thấp áp dụng cho một trạng
thái mất trật tự thấp. Theo nghĩa entropy, định luật tăng sự mất trật tự đƣợc phát biểu nhƣ sau: entropy tổng cộng không bao giờ giảm. Entropy của hệ tăng trong các quá trình không thuận nghịch và không đổi trong các quá trình thuận nghịch.[5]
3. TRẬT TỰ VÀ NĂNG LƢỢNG
Nghiên cứu về định luật tăng sự mất trật tự đƣợc đề xƣớng bởi những ngƣời quan tâm sử dụng năng lƣợng trong công nghiệp và vận tải. Ví dụ, họ tự hỏi tại sao năng lƣợng tạo ra từ hơi nƣớc có hiệu suất thấp nhƣ vậy (khoảng 10%), tại sao nó không thể biến đổi tất cả nội năng của hơi nƣớc thành năng lƣợng hữu ích?
Câu trả lời là các dạng năng lƣợng khác nhau là khác nhau theo cấp độ mà chúng đƣợc tổ chức. Chúng ta đã tìm hiểu một số ví dụ này. Năng lƣợng trong quả banh đang lăn có tổ chức lớn hơn nhiều so với năng lƣợng nhiệt mà nó có sau khi quả banh đứng lại. Nhiệt năng liên quan đến nƣớc đá và nƣớc nóng có trật tự hơn lƣợng năng lƣợng nhiệt sau khi khối nƣớc đá đã tan. Có một sự thay đổi sự mất trật tự trong mỗi trƣờng hợp mặc dù lƣợng năng lƣợng là không thay đổi.
Hình 5.5 cho thấy mức độ tổ chức các loại năng lƣợng khác nhau. Các dạng năng lƣợng vĩ mô - động năng, thế năng hấp dẫn, và thế năng điện từ - theo xu hƣớng là các dạng năng lƣợng có tính tổ chức cao (hay là chất lƣợng cao). Một trong những dạng này có thể đƣợc chuyển hoàn toàn thành dạng khác hoặc thành một phần dạng năng lƣợng khác. Tại điểm cực trị nào đó, hầu hết các quá trình kết thúc khi nhiệt độ của vật gần với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh.
Hình 5.5 - Minh họa mức độ tổ chức các loại năng lượng khác nhau [5]
Do đó, nhiệt năng ứng với nhiệt độ của môi trƣờng xung quanh là dạng năng lƣợng mất trật tự nhất (kém chất lƣợng nhất). Trong thực tế, mặc dù nhiệt năng có thể đƣợc tổ chức từng phần, nếu có sự sai biệt về nhiệt độ giữa các phần của một hệ, nhƣng mức độ tổ chức vẫn thấp hơn bất kì dạng nào của nội năng.
Nội năng có liên quan đến các liên kết hoá học của các nguyên tử là phân tử bị kích thích, và các trạng thái vật lý của vật chất có tổ chức hơn nhiệt năng. Mức độ của tổ chức
hoá học làm giảm toàn bộ tính tổ chức của hệ thống và môi trƣờng xung quanh của nó. Cuối cùng, thế năng hạt nhân là những dạng nội năng có tính tổ chức cao nhất. Năng lƣợng của hạt nhân phụ thuộc vào hình dạng chính xác của hạt nhân.
Để thuận tiện, ta liệt kê các loại năng lƣợng này theo cấp độ trật tự mà chúng có xu hƣớng đại diện. Nếu chúng ta liệt kê chúng theo trật tự nhất định từ trật tự cao nhất tới trật tự thấp nhất (từ trên xuống), định luật về tăng sự mất trật tự bắt buộc rằng một dạng năng lƣợng nào đó không thể chuyển toàn bộ sang dạng năng lƣợng cao hơn trong danh sách. Một cách tƣơng tự, các quá trình trong tự nhiên theo hƣớng của mũi tên thời gian sẽ là các quá trình kèm theo một dòng năng lƣợng theo hƣớng xuống dƣới danh sách. Chúng ta có thể liệt kê một danh sách nhƣ sau, và nhận ra rằng trong trƣờng hợp đặc biệt nào đó trật tự có lẽ khác đi.
1.Thế năng hấp dẫn và động năng vĩ mô 2.Thế năng hạt nhân (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3. Thế năng tĩnh điện 4. Thế năng hoá học
5. Nhiệt năng ứng với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh.
Các ngôi sao có năng lƣợng để chiếu sáng từ việc giải phóng thế năng hạt nhân. Năng lƣợng đƣợc truyền trong ánh sáng, một phần đƣợc cây hấp thụ trong quang hợp để trở thành thế năng hoá học. Khi cây chết, quá trình phân huỷ xảy ra, năng lƣợng chuyển vào môi trƣờng nhƣ là phần chuyển động của các phân tử ngẫu nhiên (nhiệt năng) của nhiệt độ xung quanh. Các dòng năng lƣợng chảy một cách tự nhiên theo chiều mũi tên thời gian từ đầu danh sách xuống đáy danh sách, từ trật tự sang mất trật tự.
Sự phụ thuộc của sự mất trật tự vào dạng năng lƣợng hoá học có một số hệ quả quan trọng và thú vị. Ví dụ, sự mất trật tự liên quan đến hidrocacbon (nhƣ là xăng) và oxi không khí thì khá thấp. Hai chất này có thể kết hợp khi xăng bốc cháy để tạo thành cacbon đioxit, hơi nƣớc và lƣợng nhiệt năng đáng kể. Tất cả những chất này thì mất trật tự hơn nhiều so với nguyên liệu lúc đầu, vì thế quá trình là không thuận nghịch, sự mất trật tự có liên quan đến thay đổi các liên kết hoá học là một trong những đặc tính quan trọng nhất để các nhà hoá học nghiên cứu. Tuy nhiên ở đây, những ý tƣởng trực giác của chúng ta về đo đạc trật tự và sự mất trật tự thì chƣa đầy đủ. Giới hạn phức tạp hơn là sử dụng “entropy” trong công việc này.
4. CÁC CÁCH ĐỂ TRẬT TỰ
Đến đây chúng ta đã xét các trƣờng hợp mà một số vật trở nên có tổ chức hơn. Những sự kiện đó dƣờng nhƣ xảy ra xung quanh chúng ta. Tóm lại, một cây táo có thể tạo ra một trái táo từ những chất liệu dƣờng nhƣ thiếu tính tổ chức, một khối nƣớc đá trong ly nƣớc nó từng là nƣớc, quả banh đƣợc làm cho lăn. Điều này, có sự vi phạm định luật tăng sự mất trật tự hay không?
Câu hỏi nhƣ thế cho phép chúng ta nhấn mạnh từ “tổng cộng” mà nó xuất hiện trong phát biểu chính thức của định luật tăng sự mất trật tự của chúng ta. Sự mất tổ chức tổng cộng tăng trong quá trình không thuận nghịch, tính hợp lý đối với sự mất trật tự của một phần nào đó trong hệ giảm cùng với sự tăng mất trật tự ở một nơi nào đó trong hệ, sự mất trật tự tổng cộng sẽ tăng theo định luật này.
Ví dụ, hiệu suất của một xe hơi bị giới hạn theo cách này. Xăng, một chất có thế năng hoá học khá trật tự, cháy trong xy lanh tạo ra nội năng làm nhiệt độ cao có liên quan đến khí nóng đẩy pít tông. Bây giờ, có sự mất trật tự cao hơn so với xăng chƣa bị đốt, vì
thế sự mất phẩm chất đáng kể đã xảy ra trong phẩm chất của năng lƣợng có sẵn. Tuy nhiên, thế năng hoá học khá trật tự này cũng cung cấp năng lƣợng với trật tự cao nhất - động năng của xe đang di chuyển. Nếu tất cả năng lƣợng của khí nóng đƣợc chuyển sang động năng, tất cả tính tổ chức sẽ tăng rõ ràng. Ngƣợc lại, nếu khí nóng đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ môi trƣờng xung quanh của động cơ thì tính tổ chức sẽ giảm. Mấu chốt là sự kết hợp của hai quá trình, một số năng lƣợng có thể chuyển sang dạng động năng, do đó tăng tính trật tự của nó. Nếu phần còn lại của năng lƣợng biến thành nhiệt năng ở nhiệt độ thấp hơn, sự mất trật tự của khu vực đƣợc tăng lên. Quá trình xảy ra bởi vì sự mất trật tự tăng ít ra cũng cân bằng với trật tự tăng lên. Do đó toàn bộ sự mất trật tự sẽ không giảm (hình 5.5). Hiệu suất của động cơ ô tô là tỷ số của phần năng lƣợng đƣa vào với phần năng