Các định luật của nhiệt động lực học mô tả các liên hệ giữa nhiệt năng, hay nhiệt lượng, và các dạng năng lượng khác, và cách năng lượng ảnh hưởng đến vật chất. Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi; tổng lượng năng lượng trong vũ trụ giữ nguyên không đổi. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói về chất của năng lượng. Nó phát biểu rằng khi năng lượng truyền đi hay chuyển hóa, nó bị tiêu hao càng lúc càng nhiều. Định luật thứ hai còn phát biểu rằng xu hướng tự nhiên của bất kì hệ cô lập nào là suy thoái sang một trạng thái mất trật tự hơn.
Saibal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, cho rằng định luật thứ hai là hấp dẫn nhất trong bốn định luật của nhiệt động lực học. “Có một số cách phát biểu định luật thứ hai,” ông nói. “Ở cấp độ rất vi mô, nó đơn giản phát biểu rằng nếu bạn có một hệ cô lập, thì mọi quá trình tự nhiên trong hệ đó diễn tiến theo hướng làm tăng mức hỗn loạn, hay entropy, của hệ.”
Mitra giải thích rằng mọi quá trình đều mang lại sự tăng entropy. Cho dù khi trật tự tăng lên ở một nơi nhất định, chẳng hạn bởi sự tự lắp ráp của các phân tử tạo ra một sinh vật sống, thì khi bạn xét toàn bộ hệ bao gồm cả môi trường, luôn luôn có một sự tăng entropy toàn phần. Trong một ví dụ khác, các tinh thể có thể hình thành từ dung dịch muối khi nước bay hơi. Các tinh thể thì trật tự hơn các phân tử muối trong dung dịch; tuy nhiên, nước bay hơi thì hỗn loạn hơn nhiều so với nước lỏng. Quá trình xét tổng thể mang lại sự tăng mức hỗn loạn.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng các quá trình truyền hay chuyển hóa nhiệt năng là không thuận nghịch. Ảnh: Hayati Kayhan
Lịch sử
Trong quyển sách của ông, “Một loại khoa học mới,” Stephen Wolfram viết, “Vào khoảng năm 1850, Rudolf Clausius và William Thomson (ngài Kelvin) phát biểu rằng nhiệt không thể tự phát chảy từ một vật lạnh sang một vật nóng hơn.” Phát biểu này trở thành cơ sở cho định luật thứ hai.
Những công trình sau đó của Daniel Bernoulli, James Clerk Maxwell, và Ludwig Boltzmann đã đưa đến sự phát triển của thuyết động học chất khí, trong đó một chất khí được xem là một đám mây phân tử đang chuyển động có thể xét theo thống kê. Cách tiếp cận thống kê này cho phép tính toán chính xác nhiệt độ, áp suất và thể tích theo định luật chất khí lí tưởng.
Cách tiếp cận này còn đưa đến kết luận rằng trong khi các va chạm giữa từng phân tử là hoàn toàn thuận nghịch, tức là chúng hành xử giống nhau khi chiếu xuôi lẫn chiếu ngược, nhưng đối với một lượng lớn chất khí, tốc độ của từng phân tử có xu hướng theo thời gian tạo thành một phân bố chuẩn hay phân bố Gauss, đôi khi được miêu tả là “đường cong hình chuông”, xung quanh tốc độ trung bình. Kết quả là khi chất khí nóng và chất khí lạnh được cho vào chung một bình chứa, thì cuối cùng bạn thu được chất khí ấm. Tuy nhiên, chất khí ấm đó sẽ không bao giờ tự phát tự phân tách thành chất khí nóng và chất khí lạnh, nghĩa là quá trình hòa trộn chất khí nóng và chất khí lạnh là không thuận nghịch. Kết quả này thường được nói vắn tắt là “Bạn không thể vá một quả trứng vỡ.” Theo Wolfram, Boltzmann đã nhận ra vào khoảng năm 1876 rằng nguyên do là bởi vì đối với một hệ phải có nhiều trạng thái hỗn loạn hơn số trạng thái trật tự; do đó, các tương tác ngẫu nhiên tất yếu sẽ đưa đến mức hỗn loạn cao hơn.
Công và năng lượng
Một thứ mà định luật thứ hai giải thích là bạn không thể biến đổi nhiệt năng thành cơ năng với hiệu suất 100%. Sau quá trình làm nóng một chất khí để tăng áp suất của nó làm vận hành một piston, thì luôn luôn có một phần nhiệt tồn lại trong chất khí đó không thể dùng để thực hiện bất kì công nào nữa. Nhiệt hao phí này phải được loại bỏ bằng cách truyền nó sang nguồn lạnh. Trong trường hợp động cơ xe hơi, việc này được thực hiện bằng cách thải nhiên liệu và hòa khí đã cháy ra không khí bên ngoài. Thêm nữa, bất kì dụng cụ nào có các bộ phận linh động đều sinh ra ma sát biến đổi cơ năng thành nhiệt năng thường không sử dụng được và phải loại ra khỏi hệ bằng cách truyền nó sang nguồn lạnh. Đây là lí do tại sao các khẳng định cho động cơ chuyển động vĩnh cửu luôn bị Sở cấp bằng sáng chế Hoa Kì từ chối.
Khi đặt một vật nóng và một vật lạnh tiếp xúc với nhau, nhiệt năng sẽ truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho đến khi chúng đạt tới cân bằng nhiệt, tức là có nhiệt độ bằng nhau. Tuy nhiên, nhiệt năng sẽ không bao giờ truyền theo hướng ngược lại; độ chênh lệch nhiệt độ của hai vật sẽ không bao giờ tự phát tăng lên. Lấy nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng đòi hỏi công thực hiện bởi một nguồn năng lượng ngoài ví dụ như một máy bơm nhiệt.
“Các động cơ hiệu quả nhất mà chúng ta chế tạo được hiện nay là các tuabin khí cỡ lớn,” phát biểu của David McKee, một giáo sư vật lí tại Đại học Missouri. “Chúng đốt khí thiên nhiên hay các nhiên liệu khí khác ở nhiệt độ rất cao, trên 2000 độ C, và khí thải ra chỉ là một luồng ấm, khô. Chưa ai thử thu trích năng lượng từ nhiệt thải ra, bởi vì đơn giản là chẳng có nhiều nhiệt trong khí thải.”
Mũi tên thời gian
Định luật thứ hai cho biết rằng các quá trình nhiệt động, tức là các quá trình liên quan đến sự truyền hay chuyển hóa nhiệt năng, là không thuận nghịch vì chúng đều mang lại sự tăng entropy. Có lẽ một trong những hàm ý gợi mở nhất của định luật thứ hai, theo Mitra, là nó cho chúng ta biết mũi tên nhiệt động lực học của thời gian.
Trên lí thuyết, một số tương tác, ví dụ va chạm của các vật rắn hay các phản ứng hóa học nhất định, trông giống nhau khi chúng được chiếu ngược hay chiếu xuôi. Tuy nhiên, trên thực tế, mọi sự trao đổi năng lượng là không hiệu quả, ví dụ ma sát và tiêu hao nhiệt bức xạ, làm tăng entropy của hệ được quan sát. Vì không hề có một quá trình nào là thuận nghịch hoàn toàn, cho nên nếu ai đó hỏi bạn chiều của thời gian là gì, chúng ta có thể trả lời chắc chắn rằng thời gian luôn luôn trôi theo chiều làm tăng entropy.
Số phận của vũ trụ
Định luật thứ hai còn dự đoán sự cáo chung của vũ trụ. Nó hàm ý rằng vũ trụ sẽ kết thúc trong “cái chết nhiệt” trong đó vạn vật tồn tại ở nhiệt độ bằng nhau. Đây là mức độ tối hậu của sự hỗn loạn; nếu vạn vật ở nhiệt độ bằng nhau hết, thì không có công nào có thể được thực hiện, và toàn bộ năng lượng sẽ biến thành chuyển động ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử.
Trong tương lai xa xôi, các ngôi sao sẽ sử dụng hết nhiên liệu hạt nhân của chúng và chết thành các tàn dư sao, ví dụ sao lùn trắng, sao neutron hay lỗ đen. Cuối cùng chúng sẽ bay hơi thành proton, electron, photon và neutrino, và đạt tới cân bằng nhiệt với phần còn lại của Vũ trụ. May thay, theo dự đoán của John Baez, một giáo sư toán tại Đại học California Riverside, quá trình nguội đi này có thể lâu đến 10(10^26) năm thì nhiệt độ mới giảm xuống còn khoảng 10−30 K (10−30 C trên không độ tuyệt đối).
Nguồn: LiveScience
