האנרגיה ביקום מתנהגת בדרכים קבועות וניתנות לחיזוי. תרמודינמיקה חוקרת את הדרך שבה זורם החום. אנחנו יכולים להרחיב את הדיון כדי לכלול חום ואת כל צורות האנרגיה האחרות. הכללים שהמדענים גילו בתחום זה שחלים על כל האזורים ביקום, שנחקרו עד כה, נקראים חוקי התרמודינמיקה.
החוק הראשון של התרמודינמיקה – שימור האנרגיה, קובע כי כמות האנרגיה הכוללת במערכת סגורה נשמרת תמיד. לדוגמה, במסלול אליפטי של פלנטה קיימת תחלופה מתמדת בין אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית כבידתית. כאשר הפלנטה קרובה לכוכב שלה, היא נעה מהר יותר במסלולה – האנרגיה הקינטית גבוהה ואנרגיית הכבידה נמוכה. כאשר הפלנטה רחוקה מהכוכב שלה, היא נעה לאט יותר במסלולה – האנרגיה הקינטית נמוכה ואנרגיית הכבידה גבוהה. אך האנרגיה הכוללת של הפלנטה נשארת קבועה בכל מקום לאורך מסלולה. כאשר אנרגיה במערכת אינה נשמרת, הגורם לכך, בדרך כלל, היא דליפה כלשהי של אנרגיה בצורה של חום. תופעות כמו נדנדה המאטה את תנועתה או כדור המתגלגל ונעצר, נגרמות כאשר אנרגיה קינטית מומרת לחום.
כאשר אנו מסתכלים על השמש וחושבים כי היא תמשיך לבעור במשך מיליארדי שנים, נדמה כאילו אנחנו מקבלים את האנרגיה הזאת ללא כל השקעה. אך באיזו דרך הכוכבים מקיימים את חוק שימור האנרגיה? כוכבים יוצרים יסודות כבדים יותר בשרשרת היתוך העוברת ממימן להליום, ואם הכוכב מסיבי מספיק, הם ממירים פחמן לברזל. גרעיני אטומיים כרוכים יחד על ידי כוח משיכה גרעיני שפועל כמו "דבק". נדרשת אנרגיה כדי לבטל את הדבק הזה. תובנה אליה הגיענו מאז שאיינשטיין הראה שהאנרגיה המחברת את גרעיני אטומים חייבת לקיים את הקשר E = mc2. לכן, בכל פעם שגרעין מצטופף, האנרגיה שקפאה בצורת המסה משתחררת כאנרגית קרינה. במעבר ממימן לברזל, גרעיני האטומיים נדחסים יותר ויותר. כך שכל צעד במעלה שרשרת ההיתוך משחרר אנרגיה שמקורה במסה. ניתן לחשוב על המסה כעל צורה של אנרגיה פוטנציאלית שהכוכבים הופכים לאור.
באדיבות pixabay
החוק השני של התרמודינמיקה מוכר גם. כעיקרון שיווי משקל תרמי. החוק מתאר כיצד חום זורם תמיד מגוף חם לגוף קר. שיווי המשקל נוצר כאשר הטמפרטורה של שני גופים סמוכים משתווה. החוק השני קובע עמדה נחרצת: החום לא יכול לזרום באופן ספונטני מגוף קר לגוף חם. כוס קפה מתקררת כשהיא מאבדת חום לסביבה הקרירה. קוביית קרח נמסה כאשר החום זורם אליה מסביבה חמה. שימו לב כי החוק הראשון, חוק שימור האנרגיה, אינו מחייב התנהגות שכזו. האנרגיה תשמר גם אם הקפה יתחמם והאוויר שסביבו יתקרר, או אם קוביית קרח תתקרר בעקבות התחממות האוויר סביבה. אבל אף פעם לא נראה תהליך שכזה מתרחש. בטבע, החום תמיד זורם בכיוון אחד מגוף חם אל גוף קר.
לעיתים נדמה שהחוק השני של התרמודינמיקה מופר, הדבר קורה כאשר איננו בוחנים את כל מרכיבי המערכת. חום תמיד זורם כדי לחמם גופים, אבל אין הדבר אומר שאנחנו לא יכולים ליצור קוביות קרח. מקרר יכול לחלץ מספיק חום מהמים כדי להופכם לקוביות קרח, התהליך מתקיים כאשר כמות גדולה יותר של חום משוחררת לאוויר. אם אינכם מאמינים בכך, תוכלו לחוש זאת בחלק העליון או התחתון של המקרר. קל לראות שכוכבים מצייתים לחוק השני. אנרגיה הנוצרת בליבת הכוכב, על ידי היתוך גרעיני, והחום זורם מהליבה החמה החוצה לאזורים החיצוניים של הכוכב, אזורים קרירים יותר.
ניתן לתאר את החוק השני של התרמודינמיקה באמצעות תיאור מיקרוסקופי של אנרגית החום. החום הוא מדד לאנרגיה הקינטית (או כמות התנועה) של אטומים ומולקולות במערכת. החלקיקים המהירים נוטים להעביר את תנועתם לחלקיקים איטיים יותר, כך שלאורך זמן הם מתקרבים לאותה תנועה ממוצעת או לאותה טמפרטורה. זהו הרעיון של שיווי משקל תרמי. שימו לב לשתי תכונות חשובות של תיאור זה. ראשית, אפשר שחלקיק איטי יגרום לחלקיק מהיר לנוע מהר יותר, אבל זהו תהליך בלתי סביר. כאשר בוחנים מספר רב של חלקיקים, האנרגיה תמיד עוברת מהחלקיק המהיר לאיטי. החוק השני של התרמודינמיקה מתאר את הטבע באמצעות חוקי ההסתברות ולא בדרך דטרמיניסטית. אפשר שמולקולות מים יפלטו מספיק אנרגיה ויהפכו לגביש קרח, אבל הסיכוי שקובית קרח תיווצר ספונטנית בכוס המים שלך שואף לאפס!
באדיבות pixabay
התוצאה השנייה של תיאור מיקרוסקופי של זרימת החום מעניין אפילו יותר. חום הוא מדד של תנועות חלקיקים אקראיות, לכן ניתן למדוד את מידת חוסר הסדר במערכת. החוק השני של התרמודינמיקה קובע גם כי אי-הסדר של מערכת פיזיקלית יגדל תמיד כאשר המערכת עוברת שינויים. מדענים משתמשים במונח "אנטרופיה" כמדד לחוסר הסדר. אנטרופיה היא מושג מדעי עמוק, המופיע בתחומים רבים של האסטרונומיה.
גידול באנטרופיה נראה כעובדת חיים ולכן מתייחסים אליו כחוק טבע. העיתונים על השולחן שלך נוטים להתבלגן, גרביים בודדות מופיעים במגירת הגרביים, והמטבח כמעט תמיד נמצא בחוסר סדר. מדוע קל הרבה יותר לשבור ביצה מאשר להחזירה למצב השלם? למה אתה יכול בקלות לבחוש קוביית סוכר לתוך הקפה שלך, בעוד שלא ניתן באמצעות בחישה לגרום לסוכר להפוך שוב לקוביית הסוכר? בואו נשתמש בדוגמה של חפיסת קלפים. נתחיל במצב שבו כל הקלפים מונחים בסדר עולה לפי המספרים. זהו מצב בעל סדר מושלם ויש לו אנטרופיה נמוכה. כל פעולה שתעשה עם הקלפים תוביל למצב מסודר פחות. לאחר כמה ערבובים, יישארו רק קבוצות מעטות של קלפים שמספריהם נמצאים ברצף, באופן כללי חפיסת הקלפים תמצא באי-סדר גדול יותר ובאנטרופיה גבוהה יותר. ערבוב חוזר ונשנה של הקלפים יגרום לחוסר סדר ולאנטרופיה גבוהה מאוד. הניסיון מלמד שלא משנה כמה פעמים נערבב את חפיסת הקלפים, לעולם לא נצליח להחזיר את הקלפים למצב הראשוני המסודר. האנטרופיה עולה תמיד.
יש קשר ברור בין אי-סדר או אנטרופיה לבין ההסתברות שהמערכת תהיה במצב מסוים. מצבים של אי-סדר סבירים יותר ממצבים מסודרים. כאשר קוביית קרח (או קוביית סוכר) נמסה, הגביש המסודר הופך למולקולות מים הנעות באופן אקראי. חום הוא צורה אנרגית תנועה אקראית, מצב של בעל אנטרופיה גבוהה. השינויים סביבנו גורמים לשינויים באנרגיה מצורה אחת לשנייה. החוק הראשון אומר כי האנרגיה נשמרת. החוק השני אומר כי האנרגיה נוטה להפוך לאנרגיה חסרת סדר או לחום.
אנרגיה מסודרת משתנה באופן שיטתי לאנרגיה חסרת סדר, כפי שניתן לראות בדוגמאות יומיומיות רבות. משרעת התנודות של מטוטלת דועכת, והאנרגיה הקינטית האבודה הופכת לאנרגית חום גורמת לחימום מולקולות האוויר. העולם שלנו פועל על דלק מאובנים, המנוצל באמצעות האנרגיה המאוחסנת במבנה הקשר הכימי. גם אם נשתמש באנרגיה זו בדרך היעילה ביותר, מרביתה הופכת לחום. החשמל בביתנו מחמם את החוטים דרכם הוא זורם, ולאחר מכן החום דולף לאטמוספירה. מגנט מאבד את עוצמתו במשך הזמן ו/או השימוש שנעשב בו. במקרה זה, גרגרי ברזל במגנט פונים לאותו כיוון בתחילה, בהדרגה הם הופכים להיות פחות מאורגנים בשל החום שהמגנט קולט מגופים אחרים. אנרגיה מגנטית מומרת לאנרגית חום. כיצד כל זה קשור לכוכבים? כוכב ממיר מסה לאנרגיה. זוהי המרה של מצב מסודר, למצב חסר סדר, בצורה של קרינה או אנרגיית חום המפוזרת בחלל.
בכל מקרה שבו נראה כי החוק השני מופר, איננו מסתכלים על התמונה כולה. מקרר יכול ליצור קוביות קרח, וכך ליצור גביש מסודר, אבל רק על חשבון שחרור כמות רבה יותר של אנרגיה (חום) חסר סדר. כוכב יכול לבנות יסודות כבדים, ליצור גרעין מסיבי, אבל רק על חשבון אנרגיה חסרת סדר (קרינה) או אנרגיה שנפלטה לחלל. איך החיים מצייתים לחוק השני של התרמודינמיקה? האם יצירת מבנה כמו המוח, או תא, או דנ"א, מגביר את חוסר הסדר? אכן, גם לאורגניזמים חיים יש אנטרופיה נמוכה יותר מאשר לסביבתם. עם זאת, בראייה מיקרוסקופית, מדענים רבים חושבים כי ההזדקנות נגרמת על ידי הצטברות הדרגתית של נזקים למולקולת הדנ"א. חוסר סדר בקוד הגנטי גובר, וכך נפגעת פעולת התאים, המגבילה את יכולתו של האורגניזם לתקן את עצמו. במבט רחב יותר, כדור הארץ קולט רק חלק זעיר מאנרגיית החום של השמש. החיים, שמתים בסופו של דבר, מחזירים את האנרגיה שאגרו לאטמוספירה, בהמשך לתוך חלל כמוצר פסולת. החוק השני מוסיף להתקיים.
הפיזיקאים זיהו עיקרון נוסף המכונה לעתים קרובות החוק השלישי של התרמודינמיקה. הוא קובע כי שום מערכת פיזיקלית לא יכולה להגיע לטמפרטורה של אפס מוחלט. מה קורה באפס מוחלט? אין תנועה אטומית כל-שהיא ואין במערכת חום או פעולת חיכוך. במצב שכזה מכונה יכולה להיות יעילה לחלוטין, ותתאפשר תנועה מתמדת. אבל לא ניתן להסיר לחלוטין את החום ממערכת. נבחן חומר במצב גזי, קר ביותר שניתן לדמיין. אם נרחיב את המכל שבו נמצא הגז הוא יתקרר. אבל יהיה עלינו להרחיב את המכל במידה אינסופית כדי להסיר לחלוטין את כמות החום הצבורה בו. כך שלא ניתן להגיע אל האפס המוחלט.
ניתן לסכם את שלושת חוקי התרמודינמיקה:
- אנרגיה יכולה לשנות צורות, אך כמות האנרגיה הכוללת במערכת סגורה, כולל אנרגיית חום, נשמרת תמיד.
- האנטרופיה, או אי-הסדר, של מערכת סגורה עולה תמיד, כך ששינויים באנרגיה גורמים לגידול החום במערכת.
- לא ניתן לסלק את כל החום ממערכת פיזיקלית.
הנה דרך שתסייע לך לשנן את החוקים החשובים. חשוב על חילופי חום וצורות אחרות של אנרגיה כמשחק. בפיזיקה, מסתבר שלא ניתן לקבל משהו בחינם. החוק הראשון אומר שלא ניתן לנצח. החוק השני אומר שלא ניתן לשנות את כיוון המשחק. והגרוע מכל, החוק השלישי אומר שלא ניתן להפסיק את המשחק!
Author: Chris Impey