Khoa Khoa học Ứng dụng

Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học là gì?

Tác giả: Jim Lucas; Nguồn: Live Science; May 22, 2015
Dịch ra tiếng Việt: Anh Vũ

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng các quá trình trong đó có sự trao đổi hoặc chuyển hóa nhiệt năng là quá trình không thuận nghịch

Các nguyên lý của nhiệt động lực học (NĐLH) mô tả mối quan hệ giữa nhiệt năng và các dạng năng lượng khác và cách thức mà năng lượng ảnh hưởng đến vật chất. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy; tổng năng lượng trong vũ trụ là bảo toàn. Nguyên lý thứ hai (NL2) của nhiệt động lực bàn về mặt định tính của năng lượng. Nó phát biểu rằng khi năng lượng được trao đổi hoặc chuyển hóa thì nó sẽ bị mất mát càng lúc càng nhiều. NL2 còn phát biểu rằng khuynh hướng tự nhiên của bất kỳ hệ cô lập nào cũng là suy biến về trạng thái có mức độ hỗn loạn lớn hơn.
Saibal Mitra, một giáo sư vật lý tại Đại học quốc gia Missouri (Missouri State University), nhận thấy rằng NL2 là nguyên lý thú vị nhất trong 4 nguyên lý của NĐLH. Ông nói: “Có nhiều cách phát biểu NL2". "Ở cấp độ vi mô, NL2 chỉ ra rằng nếu bạn có một hệ cô lập, bất kỳ quá trình tự nhiên nào trong hệ này cũng diễn ra theo hướng tăng độ hỗn loạn (entropy) của hệ”. Mitra giải thích rằng tất cả các quá trình đều dẫn đến một sự tăng entropy. Thậm chí độ ổn định tăng ở một vị trí đặc biệt, ví dụ như đối với quá trình tự tập hợp lại của các phân tử để tạo nên một cơ quan sống, khi ta xét đến toàn hệ, bao gồm cả môi trường, thì luôn có một sự tăng entropy tổng. Một ví dụ khác là sự tạo thành các tinh thể từ dung dịch muối khi cho nước bốc hơi. Các tinh thể có độ ổn định cao hơn các phân tử muối trong dung dịch, tuy nhiên, hơi nước lại có độ hỗn độn cao hơn dung dịch nước. Quá trình này cho thấy sự tăng mức độ hỗn loạn xét về tổng thể.

Lịch sử

Trong cuốn “Một dạng mới của khoa học” (A New Kind of Science), Stephen Wolfram viết: “Khoảng năm 1850, Rudolf Clausius và William Thomson (Lord Kelvin) đã phát biểu rằng nhiệt lượng không tự động truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn”. Đây là cơ sở của NL2.

Các công trình tiếp đó của Daniel Bernoulli, James Clerk Maxwell, và Ludwig Boltzmann đã phát triển thành thuyết động học của các chất khí, trong đó chất khí được nhận dạng như một đám mây các phân tử chuyển động và có thể dùng toán thống kê để xử lý. Cách tiếp cận thống kê cho phép tính toán nhiệt độ, áp suất và thể tích của chất khí theo các định luật của khí lý tưởng một cách chính xác hơn.

Cách tiếp cận này cũng dẫn đến kết luận rằng trong khi va chạm của các phân tử chất khí là hoàn toàn thuận nghịch (tức là nó có thể diễn ra như nhau theo chiều thuận hoặc chiều ngược) thì đối với một lượng lớn chất khí, tốc độ của các phân tử khí có xu hướng tuân theo một phân bố chuẩn (phân bố Gauss), đôi khi còn gọi là đường hình chuông, quanh tốc độ trung bình. Kết quả là khi một lượng khí nóng được trộn lẫn với một lượng khí lạnh trong một bình chứa thì cuối cùng ta sẽ được một lượng khí ấm. Tuy nhiên, lượng khí ấm này không thể tự tách ra thành lượng khí nóng và lạnh trước đó nữa, điều này có nghĩa là quá trình trộn các khí nóng và lạnh với nhau là không thuận nghịch. Có thể tóm tắt quá trình này bằng câu nói “Bạn không thể làm lành lặn một quả trứng đã vỡ”. Theo như Wolfram, Boltzmann đã nhận ra vào khoảng năm 1876, nguyên nhân của hiện tượng nói trên là đối với một hệ thì số các trạng thái có mức độ hỗn loạn cao sẽ nhiều hơn so với các trạng thái có trật tự, do đó, một tương tác ngẫu nhiên chắc chắn sẽ dẫn đến mức độ hỗn loạn cao hơn.
Công và năng lượng
Một vấn đề mà NL2 giải thích là không thể chuyển nhiệt năng thành công cơ học với hiệu suất 100%. Sau quá trình đun nóng một lượng khí để tăng áp suất của nó để đẩy pit-tông thì luôn có một một lượng nhiệt thừa trong chất khí không thể sử dụng để sinh công. Phần nhiệt lãng phí này phải được thải ra bộ phận tản nhiệt. Đối với động cơ ô-tô thì việc hày diễn ra khi thải xăng đã cháy và hỗn hợp khí ra bầu khí quyển. Bên cạnh đó, bất kỳ một máy nào có các bộ phận chuyển động thì phần nhiệt lượng sinh ra do công của lực ma sát cũng không thể sử dụng được mà phải thải ra bên ngoài.
Khi một vật nóng và một vật lạnh được tiếp xúc với nhau thì nhiệt năng sẽ truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho đến khi chúng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, tức là có nhiệt độ như nhau. Tuy nhiên, nhiệt năng không truyền ngược lại, độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật không bao giờ tăng một cách ngẫu nhiên. Việc truyền nhiệt lượng từ một vật lạnh sang vật nóng đòi hỏi một công thực hiện bởi một nguồn năng lượng bên ngoài, chẳng hạn như máy bơm nhiệt.
Theo David McKee, một giáo sư vật lý của Đại học quốc gia Missouri thì “Cho đến nay, động cơ có hiệu suất cao nhất mà chúng ta chế tạo được là các tuốc-bin hơi”. “Các động cơ này đốt cháy khí tự nhiên hoặc các nhiên liệu hóa thạch ở nhiệt độ rất cao, khoảng 2000 độ C (3.600 độ F) và thải ra một phần nhỏ. Không ai thử tách năng lượng từ nhiệt lượng thải ra và thật ra là chẳng còn nhiều.
Mũi tên thời gian
Nguyên lý 2 chỉ ra rằng các quá trình nhiệt động (là quá trình mà trong đó có sự truyền nhiệt hoặc biến đổi nhiệt năng) là không thuận nghịch vì kết quả của các quá trình này là có sự tăng entropy. Theo Mitra thì một hệ quả dễ thấy nhất của NL2 là cung cấp cho chúng ta một mũi tên thời gian.
Theo lý thuyết, một số tương tác như là sự va chạm của các vật rắn hoặc một số phản ứng hóa học có thể có dạng giống nhau khi chúng diễn ra theo chiều thuận hoặc chiều ngược. Tuy nhiên, trong thực tế thì mọi sự trao đổi năng lượng đều phải chịu mất mát năng lượng (ví dụ như mất mát năng lượng do ma sát và bức xạ nhiệt) và ta sẽ quan sát được sự tăng entropy của hệ.
Vì vậy, do không có quá trình nào là hoàn toàn thuận nghịch nên nếu được hỏi đâu là hướng của thời gian thì ta có thể trả lời rằng thời gian luôn diễn ra theo hướng tăng entropy.
Số phận của vũ trụ

Theo đại học Boston, nguyên lý hai còn dự đoán sự kết thúc của vũ trụ. “NL2 ngụ ý rằng vũ trụ sẽ kết thúc trong một sự ‘chết nhiệt’, trong đó mọi vật đều ở cùng một nhiệt độ. Đầy là mức độ cuối cùng của sự hỗn loạn, nếu mọi vật có cùng một nhiệt độ thì không thể thực hiện công và mọi năng lượng đều kết thúc bằng chuyển động ngẫu nhien của các nguyên tử và phân tử”
Theo Margaret Murray Hanson, một giáo sư vật lý tại đại học Cincinnati thì trong tương lai xa, các ngôi sao sẽ sử dụng hết năng lượng nguyên tử và trở thành các ngôi sao tàn lụi, ví dụ như sao lùn trắng, các sao neutron hoặc lỗ đen. Chúng sẽ bốc hơi thành các proton, electron, photon và neutrino và có cùng nhiệt độ với phần còn lại của vũ trụ. May mắn thay, John Baez, một nhà vật lý toán tại đại học California Riverside, dự đoán rằng quá trình lạnh dần của vũ trụ sẽ diễn ra trong khoảng 10^{10^26} năm với một độ giảm nhiệt độ khoảng 10⁻³⁰ K.