keskiviikko 25. helmikuuta 2015

Termodynamiikka ja evoluutio


Termodynamiikka on eräs alkuperäkeskustelun keskeisistä teemoista. Keskustelijoiden näkemykset termodynamiikan toisen pääsäännön ja evoluution suhteesta poikkeavat usein huomattavasti toisistaan. Näkemyserojen taustalla näyttää olevan maailmankatsomukselliset erot. Tässä kirjoituksessa esitellään termodynamiikan perusteita ja historiaa, alkuperäkeskustelussa esiintyviä virheellisiä väitteitä, sekä pohditaan toisen pääsäännön merkitystä alkuperäkysymyksessä. Lopuksi fysiikan asiantuntijat kertovat henkilökohtaisia näkemyksiään.


Kuva 1: Batman opettaa Robinille termodynamiikan perusteita amerikkalaiseen tapaan (Huom. Tieteen rakkikoira ei suosittele ruumiillista kuritusta ihmisten tai koirien kouluttamisessa ja pitää kuvan antamaa esimerkkiä huonona. Se kuitenkin kuvaa myös alkuperäkeskustelussa ilmeneviä epätoivottavia sävyjä.) Robin pyytää Batmania sulkemaan ikkunan, ettei kylmä pääse sisään. Batman korjaa karkeaan tyyliinsä, että termodynamiikan mukaan se on lämpö, mikä siirtyy (ei siis kylmä).


Mitä termodynamiikka on?

Termodynamiikka-sana antaa jo viitteen sitä, mistä termodynamiikassa on kyse. Termo viittaa lämpöön ja dynamiikka viittaa liikkeeseen. Termodynamiikassa ollaan siis kiinnostuneita lämmön liikkeestä. Koska lämpö  (Q) on eräs energian muoto, niin huomaamme, että kiinnostuksen kohteemme onkin itse asiassa energia ja erityisesti sen muuttuminen muodosta toiseen. Energia liittyy läheisesti työhön ja termodynamiikassa myös työ on keskeinen käsite. Kun lisäämme tähän vielä entropian, systeemin ja prosessin, niin meillä on peruskäsitteet termodynamiikan tarkasteluun.


Kuva 2: Lämmönvaihto avoimessa ikkunassa. Mitä tapahtuu kun pidämme ikkunaa auki kylmänä syyspäivänä? Kuvassa punainen nuoli kuvaa lämpimän huoneilman mukana siirtyvää lämpöä ja sininen nuoli kuvaa kylmän ulkoilman mukana siirtyvää lämpöä. Ulkoa tulevan ilman lämpötila on alhainen ja se tuntuu kylmältä. Ulkoa ei kuitenkaan virtaa "kylmää" sisälle vaan lämpöä, koska myös kylmä ilma sisältää lämpöä. Sen sisältämä lämpömäärä on kuitenkin paljon pienempi kuin sisällä olevan lämpimän ilman. Tämän vuoksi huoneesta poistuva lämpömäärä on suurempi kuin sinne tuleva lämpömäärä (tässä oletetaan, että poistuva ja tuleva ilmamäärä on sama).  Gotham Cityn rosvojen painajainen on siis oikeassa: se on lämpö mikä siirtyy, ei kylmä.


Termodynamiikan historiaa

Termodynamiikan teoria kehitettiin pääosin 1800-luvun puolivälissä. Tämän kehityksen katsotaan käynnistyneen 1800-luvun alussa tarpeesta höyrykoneen hyötysuhteen parantamiseen. Teorian kehittymiseen vaikuttivat mm. Benjamin Thompson, Sadi Carnot, Benoît Clapeyron, Julius von Mayer, James Joule, William Thompson (Lordi Kelvin), Max PlanckHermann von Helmholz, Rudolf Clausius ja Ludwig Boltzmann.

Termodynamiikan teorian kokoajana voidaan pitää entropia-käsitteen keksijää Rudolf Clausiusta. Ludwig Boltzmann puolestaan loi perustan tilastolliselle termodynamiikalle eli tilastolliselle mekaniikalle. (Suntola 2012: 55-56).



Systeemi ja ympäristö

Termodynamiikassa tarkastelun kohdetta kutsutaan systeemiksi. Systeemi on todellisen tai kuvitteellisen kontrollipinnan rajaama avaruuden (sen ei tarvitse olla tähtien välisessä avaruudessa, vaan se voi sijaita vaikkapa naapurin olohuoneessa) osa. Systeemin kontrollipinnan ulkopuolista avaruuden osaa kutsutaan ympäristöksi. Käytännössä esimerkiksi lämmön siirtyminen tapahtuu usein systeemin ja ympäristön välillä.

Systeemi voi olla avoin, suljettu tai eristetty. Avoimen systeemin kontrollipinta  läpäisee lämpöä ja ainetta. Suljetun systeemin kontrollipinnan läpi kulkee vain lämpö. Eristetyllä systeemillä ei ole lämmön tai energian vaihtoa ympäristönsä kanssa. (Ryti 1975: 606).

"Lämmöllä tarkoitetaan johtumalla kontrollipinnan läpi systeemiin tullutta energiaa, yleisimmin sitä osaa tulleesta kokonaisenergiasta, joka ei ole työtä." (Ibid.: 609).

Alla on termodynaamisten systeemien periaatekuvat.

Kuva 3: Avoin systeemi. Lämmön ja aineen virtaus systeemin ja ympäristön välillä on vapaata.


Kuva 4: Suljettu systeemi. Vain lämmön virtaus systeemin ja ympäristön välillä on vapaata.


Kuva 5: Eristetty systeemi. Ei lämpö- eikä ainevirtaa systeemin ja ympäristön välillä.


Systeemin tilaa kuvataan termodynamiikassa ns. tilasuureilla, joita ovat esim. lämpötila, paine, tilavuus ja entropia. Tilasuureet jaetaan intensiivisiin eli systeemin koosta riippumattomiin ja ekstensiivisiin, systeemin koosta riippuviin. Ne ovat matemaattisesti kahden muuttujan funktioita. (Ryti 1975: 607). Edellisiä ovat mm. lämpötila, paine ja kemialliset ominaisuudet, jälkimmäisiä mm. entropia, tilavuus ja sisäenergia. Termodynamikassa ollaan erityisesti kiinnostuneita tilasuureiden muutoksista eli systeemin tilan muutoksesta.



Entropia (S)

Entropia on varmasti termodynamiikan ristiriitaisin suure. Esiintymiskertojensa perusteella sitä voisi pitää hyvin tunnettuna suureena, mutta samalla se on kuitenkin termodynamiikan vaikein suure. Matemaatikko John von Neumann (1903 -1957) on sanonut:
  • Kukaan ei tiedä mitä entropia todella on, joten väittelyssä sinulla on aina etu (jos teeskentelet tietäväsi).

 Entropia-käsitteen keksi Rudolf Clausius v. 1865. Entropian muutos lasketaan kaavalla:

dS =  δQ
T

Ludwig Boltzmannin kaava entropian muutokselle on muotoa:

dS = klnΩ

Clausiuksen ja Boltzmannin kaavat tarkoittavat käytännössä samaa asiaa ja ne voidaan johtaa toisistaan. Entropian yksikkö on J/K (Joule/Kelvin). Joule on energiamäärän yksikkö ja Kelvin on lämpötilan yksikkö. Vaikka emme syvällisesti ymmärtäisi entropian olemusta, niin melkoisella varmuudella voimme todeta sen läheisesti liittyvän lämpöön.

"Entropia on mitta energian (lämmön) siirtymisestä systeemistä (esim. kappale) ympäristöön." (Hämäläinen 2006).



Vapaa energia (G)

Vapaalla energialla tarkoitetaan energiaa, jota voidaan käyttää työn tekoon. Kun systeemi tekee työtä, sen vapaa energia vähenee. Työtä tehtäessä osa käytettävästä energiasta muuttuu entropiaksi erilaisten häviöiden takia.



Luonnollinen prosessi

Luonnollisella prosessilla tarkoitetaan jotain ajan funktiona tapahtuvaa spontaania muutosta systeemissä tai systeemissä ja sen ympäristössä. Kaikki luonnolliset prosessit ovat palautumattomia (irreversiibeleitä) eli niihin liittyy aina häviöitä ja entropian kasvua ja ne voivat edetä vain yhteen suuntaan. Luonnollisen prosessin seurauksena energian laatu (esim. työ muuttuu lämmöksi) heikkenee ja entropian määrä kasvaa siinä ympäristössä, missä prosessi kokonaisuudessaan tapahtuu. Luonnollisen prosessin seurauksena erilaiset potentiaalierot (esim. lämpötila, paine, konsentraatio) pyrkivät tasoittumaan (Hemilä & Utriainen 1989: 78-80; Saari 2007: 4).

Luonnollinen prosessi kasvattaa entropiaa aina siinä järjestelmässä, jossa se kokonaisuudessaan tapahtuu. Esimerkiksi lämmön siirtyminen systeemistä ympäristöön vähentää systeemin entropiaa, mutta lisää ympäristön entropiaa. Tällöin ympäristön entropian kasvu on suurempi kuin systeemin entropian väheneminen eli entropia kasvaa siinä järjestelmässä, jossa lämmönsiirto kokonaisuudessaan (systeemi+ympäristö) tapahtuu.



Pääsäännöt

Termodynamiikan perustan muodostavat kolme pääsääntöä. Ne ovat kokeellisiin havaintoihin perustuvia aksioomeja. Tämä tarkoittaa sitä, että niitä ei voida todistaa oikeiksi. Ne siis vain oletetaan oikeiksi havaintojen perusteella eli niiden uskotaan kuvaavan todellisuutta luotettavasti (Hemilä & Utriainen 1989: 81; Ryti 1975: 606).


I Pääsääntö

Ensimmäinen pääsääntö tunnetaan myös nimellä energiansäilymislaki. Sen mukaan energiaa ei voida luoda eikä hävittää, mutta se voi muuttaa muotoaan. Esimerkiksi työ voidaan muuttaa lämmöksi hankaamalla kahta puukapulaa vastakkain.

Huoneen lämmittämiseen puukapuloiden hankaaminen on melko tehoton ja aivan liian työläs keino. Tässä tapauksessa parempi tapa on käyttää apuna kemiallista reaktiota eli puun yhtymistä happeen. Reaktion korkea lämpötila tekee tästä menetelmästä oivallisen lämmön lähteen.


II Pääsääntö

Termodynamiikan toinen pääsääntö kertoo luonnollisen prosessin etenemissuunnan. Havainnot osoittavat, että luonnollisten prosessien seurauksena erilaiset potentiaalierot (esim. lämpötilat, paineet ja kemialliset konsentraatiot) pyrkivät tasoittumaan. (Hemilä & Utriainen 1989: 80; Saari 2007: 4).

Termodynamiikan toisesta pääsäännöstä on olemassa useita erilaisia muotoiluja, jotka ovat samanarvoisia keskenään eli ne voidaan johtaa toisistaan. Toisen pääsäännön tunnetuimmat muotoilut ovat:
  • Lämpö ei siirry itsestään kylmästä kappaleesta lämpimämpään. (Clausius).
  • Lämpötila ero vaaditaan työn (mekaanisen energian) saamiseksi lämmöstä. (Ryti 1975: 610).
  • Ei voida rakentaa jatkuvasti toimivaa konetta, joka käyttäisi vain yhtä lämpösäiliötä (Kelvin ja Planck).
  • Eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona (Aittomäki 2007: 15; Lampinen 1997: 103).
Viimeinen muotoilu pätee vain eristetyille systeemeille, mikä on johtanut monet alkuperäkeskusteluun osallistujat tulkitsemaan asian niin, että toinen pääsääntö pätee vain eristetyille systeemeille. Tähän virhetulkintaan palaamme myöhemmin. Termodynamiikan toiselle pääsäännölle on olemassa ainakin 21 erilaista muotoilua (Capek & Sheenan 2005).

Klassinen termodynamiikka ei selitä sitä miksi lämpö siirtyy lämpimästä kylmempään kappaleeseen eli sitä miksi ns. luonnolliset prosessit etenevät aina tiettyyn suuntaan (pyrkimys kohti tasapainoa). Miksi tietty dynaaminen kehityssuunta on erityisasemassa? Tätä havaintoa selitetään tilastollisen mekaniikan avulla, jonka mukaan termodynaamiseen tasapainoon liittyy paljon suurempi määrä mikrotiloja kuin kauempana tasapainosta olevassa makrotilassa. Termodynaaminen tasapainotila on suunnattoman paljon todennäköisempi kuin muut makrotilat. Jälkimmäiset ovat periaatteessa mahdollisia, mutta niin epätodennäköisiä, että niitä ei koskaan havaita. Asiasta on kuitenkin käyty paljon filosofista keskustelua ja voi olla, ongelmaa ei vielä ole lopullisesti ratkaistu.

Mielenkiintoista on se, että tässä asiassa suuri epätodennäköisyys hyväksytään selitykseksi sille, että jotain ei koskaan voi tapahtua. Elämän syntyongelmaan sama selitys ei kelpaa. Eli vaikka kaikki laskelmat osoittaisivat spontaanin elämän synnyn erittäin epätodennäköiseksi, niin silti sitä pidetään ainoana selityksenä elämän olemassaololle. Sitä ei siis pidetä vain mahdollisena selityksenä.

Maailmaa voidaan tarkastella myös toiminnallisena kokonaisuutena. Havaitsemme, että toisen pääsäännön lahjomaton tarkkuus on mielekästä. Mikäli maailma ei tältä osin toimisi täysin ennustettavasti, meillä ei olisi termodynamiikaksi kutsuttua fysiikan alaa. Mehän emme voisi tietää siirtyykö lämpö huomennakin samalla tavalla. Tämän havainnon voisi tulkita kosmisen hienosäädön tavoin viittaavan älykkääseen suunnittelijaan. Me emme siis olisi vain erittäin epätodennäköisen (mutta silti mahdollisen) varassa, vaan eläisimme tarkoituksellisesti mielekkääksi suunnitellussa maailmassa.



III Pääsääntö:

Absoluuttisessa nollapisteessä täydellisen kiteen entropia on nolla (Hemilä & Utriainen 1989: 107).



Systeemin entropian muutos

Systeemin entropian muutokseen vaikuttaa kaksi tekijää: systeemin rajapinnan läpi kulkeva energia (lämpö) [ainevirtaa ei tässä huomioida] ja systeemissä tapahtuvat luonnolliset prosessit. Systeemin rajapinnan läpi kulkevan lämpövirran aiheuttamaa entropianmuutosta merkitsemme tekijällä dSe ja systeemissä tapahtuvista luonnollisista prosesseista aiheutuvaa entropianmuutosta tekijällä dSi. Tällöin systeemin entropian muutos voidaan esittää kaavalla:

dS = dSe + dSi

Koska luonnolliset prosessit ovat palautumattomia, niiden aiheuttama entropian muutos on aina positiivinen eli ne aina kasvattavat entropiaa (dSi > 0). Systeemin rajapinnan läpi kulkeva lämpövirta voi lisätä tai vähentää systeemin entropiaa eli dSe voi olla positiivinen tai negatiivinen (Turns 2006: 541; McQuarrie & Simon 1999: 247; Cengel et al. 2008: 346; Kondepudi & Prigogine 1999: 88). Systeemiin tuleva lämpö lisää systeemin entropiaa ja systeemistä poistuva lämpö vähentää systeemin entropiaa. Lämmön poistuminen on ainoa prosessi, mikä vähentää systeemin entropiaa (Cengel et al. 2008: 301, Van Wylen 1959: 156).

Systeemin entropian muutoksen yksityiskohtainen kaava on muotoa

dS =  δQ + (F - Frev)dX
T


jossa F ja Frev todellisia tai yleistettyjä voimia ja X sitä vastaava todellinen tai yleistetty siirtymä. Tekijä (F - Frev)dX on siis luonnollisen ja ideaalisen (palautuvan eli reversiibelin) prosessin välinen energiaero. Koska (F - Frev) on aina samanmerkkinen kuin dX, nähdään, että eristetyssä systeemissä (tai suljetun systeemin adiabaattisessa prosessissa) entropia suurenee luonnollisissa (F > Frev) prosesseissa ja pysyy vakiona palautuvissa (F = Frev) prosesseissa (Ryti 1975: 610).

Kuva 6: Systeemin entropian muutokseen vaikuttavat tekijät (ainevirtaa ei huomioida). Systeemin entropian muutoksen aiheuttavat systeemissä tapahtuvat luonnolliset prosessit sekä systeemin ja ympäristön lämmönvaihto.

Kuva 6 pätee avoimiin ja suljettuihin systeemeihin, joiden rajapinnan läpi lämpö voi siirtyä. Eristetyn systeemin rajapinnan läpi lämpö ei kulje eli dSe = 0. Tällöin systeemin entropian muutokseen vaikuttaa ainostaan systeemissä tapahtuvat luonnolliset prosessit ja ne voivat vain kasvattaa entropiaa. Tämän vuoksi eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona. Tasapainotilassa olevan systeemin entropia pysyy vakiona eli dSi = 0.

Miksi eristetyn systeemin entropia ei voi vähetä? Koska lämpöä ei voi poistua systeemistä. Lämmön poistuminen on ainoa prosessi mikä voi vähentää systeemin entropiaa.



Toisen pääsäännön virhetulkintoja

Virhetulkinta 1.


"Toinen pääsääntö pätee vain suljetuille järjestelmille." (Kangas 2014).

Tämä yleinen virhetulkinta johtunee toisen pääsäännön muotoilusta, jonka mukaan "eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona."

Tämä tulkinta sisältää kaksi virhettä. Siinä selvästi viitataan eristettyyn systeemiin (kuva 5), vaikka sitä virheellisesti kutsutaankin suljetuksi. Tämä on siis terminologiavirhe eikä siten kovin vakava virhe.

Väitteeseen sisältyy kuitenkin myös vakava asiavirhe. Termodynamiikan toinen pääsääntö ei päde vain eristetyille systeemeille, vaan se pätee kaikille systeemeille. Toisen pääsäännön merkittävin ominaisuus on, että se kertoo luonnollisen prosessin suunnan. Luonnollinen prosessi voi edetä vain yhteen suuntaan. Prosessi saadaan etenemään myös päinvastaiseen suuntaan, mutta se vaatii aina työtä (esim. lämpöä voidaan siirtää kylmästä ulkoilmasta huoneenlämpöön lämpöpumpun avulla.)

Vaikka lämpöä voidaan lämpöpumpun avulla siirtää kylmästä ulkoilmasta lämpimään huonetilaan, niin todellisuudessa tässä ei käännetä luonnollisen prosessin suuntaa eli lämpö ei siirron missään vaiheessa virtaa alemmasta lämpötilasta korkeampaan. Lämmön siirtämiseen käytetään erityistä välittäjäainetta, jonka lämpötila vaihtelee siirron eri vaiheissa. Ulkona välittäjäaineen lämpötila on ilman lämpötilaa alhaisempi ja sisällä se on korkeampi. Tällöin lämpö siirtyy aina lämpimämmästä aineesta kylmempään.

Luonnollinen prosessi voi tapahtua missä tahansa systeemissä eikä systeemin kontrollipinnan ominaisuudella ole merkitystä prosessin entropiavaikutukseen. Se aina lisää entropiaa eli dSi > 0 (O'Connell & Haile 2005: 51). Ja tämä ei koske pelkästään koko systeemiä, vaan myös kaikkia sen osasysteemejä (subsystems) (Kondepudi & Prigogine 1999: 336). Kondepudi ja Prigogine kutsuvat tätä määritelmää toisen pääsäännön yleisimmäksi muodoksi ("This is the statement of  The Second Law in its most general form").

Voimme testata toisen pääsäännön sovellusaluetta seuraavilla ajatuskokeilla:
  • Toisen pääsäännön mukaan lämpö ei itsekseen siirry kylmästä kappaleesta lämpimämpään kappaleeseen. Mikäli toinen pääsääntö pätisi vain eristetyille systeemeille, niin tämä lämmön siirtymistä koskeva muotoilu ei siis olisi voimassa suljetussa tai avoimessa systeemissä. Käytännössä tämä tarkoittaisi sitä, että näissä systeemeissä lämpö voisi siirtyä itsekseen kylmästä kappaleesta lämpimämpään. Tätä ei kuitenkaan ole koskaan havaittu eli toinen pääsääntö koskee myös avoimia ja suljettuja systeemejä.
  • Toisen pääsäännön mukaan mekaanisen energian (työn) saaminen lämmöstä vaatii lämpötilaeron. Mikäli toinen pääsääntö pätisi vain eristetyille systeemeille, niin valitsemalla suljettu tai avoin systeemi pitäisi olla mahdollista konstruoida jatkuvasti toimiva lämpövoimakone, joka käyttäisi vain yhtä lämpövarastoa mekaanisen energian tuottamiseen. Kone ei loisi energiaa tyhjästä eli se ei rikkoisi ensimmäistä pääsääntöä. Se olisi kuitenkin yhtä arvokas energian käyttäjille kuin ensimmäisen lajin ikiliikkuja (energian luoja). Systeemin kontrollipinnan valinta ei kuitenkaan tee mahdolliseksi vain yhtä lämpösäiliötä käyttävää konetta, vaan kyseessä on mahdoton kone, jota kutsutaan toisen lajin ikiliikkujaksi (Hemilä & Utriainen 1989: 81). Toinen pääsääntö koskee siis myös suljettuja ja avoimia systeemejä.
Seuraava kuva havainnollistaa entropian muutosta eristetyssä systeemissä, joka sisältää suljettuja osasysteemejä. Osasysteemeissä tapahtuvat luonnolliset prosessit kasvattavat osasysteemien entropiaa ja samalla kokonaissysteemin entropiaa tekijöillä dS1 ja dS2. Kokonaisysteemin entropianmuutos on siis:

dS = dS1 + dS2 

Kuva 7. Kuvan eristetyssä kokonaissysteemissä on kaksi suljettua osasysteemiä, joissa tapahtuvat luonnolliset prosessit kasvattavat entropiaa tekijöillä dS1 ja dS2. Kokonaissysteemin entropianmuutos on siis muotoa dS = dS1 + dS2.

Mikäli osasysteemistä poistuisi lämpöä, se vähentäisi osasysteemin entropiaa (vrt. kuva 6), mutta kasvattaisi kokonaissysteemin entropiaa, koska luonnollinen prosessi aina kasvattaa entropiaa siinä systeemissä, jossa se kokonaisuudessaan tapahtuu. Osasysteemistä poistuva lämpö siirtyy ympäristöön, joka sijaitsee kokonaissysteemin sisällä. Kaikki kokonaissysteemissä tapahtuvat luonnolliset prosessit kasvattavat sen entropiaa.

Meillä voisi olla myös suljettu systeemi, jossa tapahtuu adiabaattinen prosessi (eli lämmön siirtoa systeemin ja ympäristön välillä ei tapahdu, ks. kuva 6). Myös suljetun systeemin adiabaattisissa prosesseissa entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona (Hemilä & Utriainen 1989: 97).

Termodynamiikassa systeemin kontrollipinta voidaan valita vapaasti ja aina voidaan valita niin suuri systeemi, että saadaan eristetty systeemi (Ryti 1975: 610). Kontrollipinnan valinta eristetyn systeemin saamiseksi tehdään sen vuoksi, että saadaan systeemi, jossa mielenkiinnon kohteena oleva prosessi kokonaisuudessaan tapahtuu. Kts. "Luonnollinen prosessi".

On myös huomattava, että maailmankaikkeutta voidaan pitää eristettynä systeeminä (Prigogine & Stengers 1984: 119; McQuarrie & Simon 1999: 249). Tähän huomioon perustuu myös Rudolf Clausiuksen kuuluisat lauseet (Clausius 1865):

Die Energie der Welt ist constant.
Die Entropie der Welt srebt einem Maximum zu.

Maailman energian määrä on vakio.
Maailman entropia etenee kohti maksimia.



Virhetulkinta 2.

"Termofysiikan pääsäännön mukaan paikallinen ja tilapäinen järjestäytyminen on mahdollista." (Vehkamäki & Allo 2014)

Tämä väite on hyvä esimerkki julkisuudessa käytävän alkuperäkeskustelun yleisestä tieteellisestä tasosta, joka on valitettavasti varsin heikko. Väitettä voi pitää lähinnä anekdoottina ja sillä on sellaisenaan (kulttuuri)historiallista arvoa.

Väitteellä ei ole mitään tekemistä termodynamiikan, fysiikan tai edes luonnontieteen kanssa. Luonnontiede (johon fysiikka(johon termodynamiikka kuuluu) kuuluu) ei tunne käsitettä järjestys tai järjestynyt. Järjestys ei ole fysiikan suure eikä sille näin ollen ole (SI-) yksikköä. Tämän vuoksi luonnontiede ei tunne yhtälöitä, joilla järjestys voitaisiin liittää tunnettuihin fysiikan suureisiin. Ilman yhteyttä tunnettuihin fysiikan suureisiin järjestys jää mielikuvaksi, joka sopii ajatusleikkeihin, mutta ei osaksi tieteellisiä väitteitä.

Vastaavasti voisimme väittää, että "termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan paikallinen ja tilapäinen kauneus on mahdollista." Me voimme varsin helposti havaita kauneutta (esim. naisia, kukkia, mehiläisiä jne.) ympärillämme (tai ainakin vähän kauempana). Kauneuskin on jonkinlainen "järjestyksen" ilmentymä. Mutta tämäkään väite ei kuulu fysiikkaan tai luonnontieteeseen. Kauneus ei ole fysiikan suure eikä sitä voida liittää tunnettuihin fysiikan suureisiin. Me voimme vain ihmetellä kauneuden olemassaoloa, sen suurta määrää, ja todistaa sen katoavaisuutta.

Termodynamiikan toinen pääsääntö ei ota kantaa "tilapäisyyteen." Toisen pääsäännön avulla voidaan mm. ennustaa luonnollisen prosessin suunta, laskea systeemin entropian muutos, määrittää lämpövoimakoneen hyösuhde tai se millä edellytyksillä systeemi voidaan saattaa ympäristöä matalampaan lämpötilaan (Vikstén 1993: 135). Systeemin tilan muutokset ja entropian muutos ilmoitetaan tunnettujen fysiikan suureiden (esim. tilavuus V, lämpömäärä, Q ja lämpötila, T) funktiona. Aika (t) ei kuulu näihin suureisiin eli emme voi laskea kuinka kauan "tilapäinen järjestäytyminen" kestää tai koska se mahdollisesti tapahtuu.

Tarkasteltavan systeemin kontrollipinta voidaan termodynamiikassa valita vapaasti, mutta toinen pääsääntö ei tunne käsitettä "paikallinen." Lause "eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä vakiona" voi viitata ideaaliseen termospulloon tai koko maailmankaikkeuteen. Paikallisuus on aina termodynamiikan soveltajan määrittely.

Systeemin entropia voi vähetä ja termodynamiikan perusteella me tiedämme millä edellytyksillä tämä on mahdollista. Systeemistä poistuva lämpö vähentää systeemin entropiaa. Mikään muu prosessi ei vähennä systeemin entropiaa. Kts. Systeemin entropian muutos.


Virhetulkinta 3.

"Tällaisessa [avoimessa] systeemissä lisäenergia voi tuottaa järjestystä ja aiheuttaa entropian pienenemistä." (Turun yliopiston verkkosivu, http://www.astro.utu.fi/zubi/phys/entropy.htm)

Tässäkin väitteessä viitataan järjestykseen eli väite ei kuulu luonnontieteeseen (kts. virhetulkinta 2). "Järjestystä" ei voida yhdistää energiaan eikä muihinkaan fysiikan suureisiin.

Väitteeseen sisältyy toinenkin virhe. Systeemiin tuotu energia (esim. lämpö) aiheuttaa entropian kasvua eikä pienenemistä (kts. "Systeemin entropian muutos"). Systeemiin tuotu lämpö on suoraan verrannollinen entropian kasvuun (Stowe 2007: 83).

Seuraava kuva havainnollistaa virhetulkintaa 3. Systeemiin tuodaan energiaa (punainen nuoli). Tuodun energian oletetaan tuottavan "järjestystä" jollakin tuntemattomalla prosessilla ja vähentävän systeemin entropiaa. Tämä tuntematon prosessi toimii siis päinvastoin kuin luonnolliset prosessit, jotka aina lisäävät systeemin entropiaa.


Kuva 8. Kaaviokuva väitteestä, jonka mukaan avoimeen (tai suljettuun) systeemiin lisätty energia saa systeemissä aikaan järjestyksen kasvua ja entropian pienenemistä jollakin tuntemattomalla prosessilla..



Järjestyksen kasvu ja avoin systeemi

Onko energian tuonti systeemiin riittävä ehto järjestyksen kasvulle? Voimme lähestyä tätä ongelmaa kahden avoimen esimerkkisysteemin avulla. Ensimmäinen esimerkkisysteemi on kännykkätehdas. Tehtaaseen tuodaan raaka-aineita ja energiaa ympäristöstä. Niiden avulla tehtaassa valmistetaan kännyköitä. Energian tuonti tehtaaseen on välttämätön, mutta ei riittävä ehto järjestyksen syntymiselle. Tässä pidämme kännykkää järjestyksen ilmentymänä. Tehtaassa on tehtävä työtä järjestyksen aikaansaamiseksi. Ilman työtä järjestystä ei synny.

Toisena esimerkkisysteemi on solu. Soluun tuodaan raaka-aineita ja energiaa ympäristöstä. Solukalvossa on erityisiä kanavia aineenvaihduntaa varten. Solussa valmistetaan esimerkiksi proteiineja, joita pidämme tässä järjestyksen ilmentyminä. Energia on välttämätön, mutta ei riittävä ehto järjestyksen syntymiselle. Solussa on tehtävä työtä järjestyksen aikaansaamiseksi. Proteiinien tapauksessa työtä tekee mm. ribosomi, joka käyttää ATP-muodossa olevaa energiaa työn tekoon. Solussa ATP:ta valmistaa pyörintämoottori ATP-syntaasi, joka käyttää voimanlähteenään protonigradienttia. ATP-syntaasi on maailman pienin "sähkömoottori."

Nämä esimerkit nostavat esiin tunnetun fysiikan suureen eli työn (W = FdX). Esimerkkitapauksissamme järjestyksen aikaansaamiseksi on tehtävä työtä. Lisäksi kummassakin tapauksessa järjestys perustuu informaatioon. Kännykkä tarvitsee suunnitelman ja valmistusohjeen. Ja proteiinillakin on DNA:han koodattu suunnitelma ja valmistusohje.

Olemme jo aikaisemmin oppineet, että työtä tarvitaan mikäli haluamme tuottaa prosessin, joka on päinvastainen luonnolliselle prosessille (esim. lämmön siirto kylmästä kappaleesta lämpimään kappaleeseen).

Havaintojemme mukaan työn tekoa vaaditaan useissa tapauksissa järjestyksen lisäämiseksi, mutta voimmeko tämän perusteella päätellä, että järjestyksen lisääminen vaatii aina työtä? Ainakin perheenäidit ovat vahvasti sitä mieltä. Mutta mikäli jätämme huomiotta perheenäitien kokemusperäisen viisauden, niin törmäämme määrittelyongelmaan. Mitä järjestys on? Onko olemassa sellaista järjestystä, jota luonnolliset prosessit voivat tuottaa? Viimekädessä ongelma voidaan ratkaista kokeellisesti. Määritellään ensin järjestys (esim. kännykkä, RNA, ribosomi tms. entiteetti) katsotaan, syntyykö järjestys itsestään. Parasta olisi tietysti, mikäli voisimme määritellä järjestyksen yksiselitteisesti, antaa sille yksikön ja liittää se yhtälöillä tunnettuihin fysiikan suureisiin. Tätä tuskin tulee tapahtumaan ihan lähitulevaisuudessa, joten me edelleen joudumme tyytymään mielikuvamäärittelyihin järjestyksen kohdalla.



Onko termodynamiikan toinen pääsääntö ratkaisu alkuperäongelmaan ?

Jotta me voisimme vastata tähän kysymykseen, meidän on selvitettävä mitä apuvälineitä termodynamiikan toinen pääsääntö meille tarjoaa. Niitä on täsmälleen kaksi kappaletta.

1. Toinen pääsääntö kertoo luonnollisen prosessin suunnan eli että luonnollinen prosessi voi edetä vain yhteen suuntaan (kahdesta mahdollisesta).

2. Toinen pääsääntö osoittaa, että maailmassa olevat erilaiset potentiaalierot pyrkivät tasoittumaan eli systeemit pyrkivät kohti tasapainotilaa. Tähän ilmiöön liittyy vapaan energian väheneminen ja entropian kasvu.


Kuva 9. Kaaviokuva luonnollisesta toiminnasta. Siniset pylväät kuvaavat erilaisia luonnollisia tai keinotekoisia potentiaaleja. Vihreä nuoli osoittaa luonnollisen prosessin suunnan ja punainen nuoli sille vastakkaisen suunnan, johon eteneminen vaatii ohjausta.

Mitä tämä käytännössä tarkoittaa? Meillä on suuri joukko erilaisia luonnollisia prosesseja, jotka etenevät täysin ennustettavasti tiettyyn suuntaan.

Merkittävää on juuri tämä suunta. Jokaisella luonnollisella prosessilla on tietty suunta, johon se voi edetä. Päinvastainenkin suunta on olemassa, mutta siihen eteneminen vaatii työn tekoa eli tietoisen ohjauksen. Lämmön tapauksessa me tiedämme prosessin (lämmön siirtymisen) luonnollisen etenemissuunnan. Osaamme myös siirtää lämpöä päinvastaiseen suuntaan työn avulla.

Mikäli me voisimme kaikissa mahdollisissa tapauksissa määritellä luonnollisen prosessin suunnan, niin silloin me tietäisimme aika paljon maailmasta ja sen toiminnasta. Mikä on luonnollisen prosessin suunta elämän tapauksessa? Onko se kohti elämää vai kohti kuolemaa? Me havaitsemme, että monet elävät etenevät kohti kuolemaa. Voimmeko tämän perusteella päätellä, että luonnollisen prosessin suunta elämän tapauksessa on kohti kuolemaa eikä kohti elämää? Mikäli me voimme näin tehdä, niin silloin kohti elämää on se suunta, joka vaatii työn tekoa eli tietoisen ohjauksen.

Tällöin ainoa mahdollinen johtopäätös, minkä me voimme tehdä on se, että elämä  ei ole syntynyt luonnollisen prosessin seurauksena vaan työn eli tietoisen ohjauksen tuloksena. Tällöin ylitämme kuitenkin luonnontieteen nykyiset rajat. Mutta mikäli me saavutamme tämän johtopäätöksen kokeellisen luonnontieteen keinoin, niin eikö se silloin osoita, että olemme määritelleet luonnontieteen rajat väärin? Jos elämän luoja on olemassa, niin silloin naturalismi on vain todellisuuden osajoukko.



Miten erimielisyydet olisi ratkaistava ?

Tähän kysymykseen on olemassa selvä vastaus. Meidän on otettava oppia termodynamiikan perustan muodostavista aksioomeista.  Kaikki tulkintaerimielisyydet on siis ratkaista kokeellisesti eli luonnontieteen perusperiaatteita noudattaen. Jos kiistan kohteena on kysymys elämän tai "järjestyksen" spontaanista synnystä, niin asia on selvitettävä kokeellisesti. Koetulokset kyllä kertovat vastauksen, eivätkä ne valehtele tai tee tulkintoja.

Ongelmana on vain koetulosten hyväksyminen vastaukseksi esitettyyn ongelmaan. Jos esimerkiksi elämän syntyä selvittävässä kokeessa ei synny elämää, niin hyväksytäänkö koetulos sellaisenaan ja todetaan, että elämää ei synny spontaanisti?! Milloin meidän on hyväksyttävä koetulokset sellaisenaan ja milloin me voimme todeta niiden edustavan vain suppeaa otantaa kaikista mahdollisista tuloksista?

Tähän kysymykseen ei ole olemassa selkeää tai yksimielistä vastausta. Termodynamiikan tapauksessa kokeelliset havainnot hyväksyttiin nopeasti aksioomien perusteiksi, eikä jääty esim. odottamaan havaintoa lämmön siirtymisestä itsekseen kylmästä kappaleesta lämpimään kappeleeseen. Myöhemmin tilastollisen mekaniikan kehittyessä nämä kokeelliset havainnot saivat tuekseen myös todennäköisyyden. Luonnollisen prosessin suuntaa selitetään todennäköisyydellä. Luonnollinen prosessi etenee aina kohti systeemin todennäköisintä tilaa.

Mikäli luonnontieteessä samoja perusperiaatteita voidaan soveltaa laaja-alaisesti, niin silloin näitä samoja periaatteita pitäisi voida soveltaa myös elämän synnyn ongelmaan. Mikäli elämän spontaanin synnyn voidaan osoittaa olevan vähintään yhtä epätodennäköistä kuin lämmön siirtymisen kylmästä kappaleesta kuumaan, niin silloin meidän hyväksyttävä elämän spontaanin synnyn mahdottomuus. Tällöin elämän spontaania syntyä koskeva aksiooma olisi muotoa: elämä ei synny itsekseen kuolleesta materiasta. Tämä aksiooma olisi linjassa jatkuvan alkusynnyn kumoamisen kanssa. Louis Pasteur osoitti kokeellisesti 1860-luvulla, että jatkuvaa alkusyntyä ei tapahdu (Dubos 1966, s. 56-59).

Termodynamiikan antamien kokemusten perusteella saamme kolme tekijää, jotka meidän on otettava huomioon olemassaolon ongelmia ratkaistessa:
  • luonnollisella prosessilla on vain yksi suunta
  • kokeelliset havainnot
  • todennäköisyys



Termodynamiikan asiantuntijoiden lausuntoja toisen pääsäännön ja evoluution suhteesta


Termodynamiikan asiantuntijoiden näkemykset toisen pääsäännön ja evoluution suhteesta poikkeavat vähintään yhtä paljon toisistaan kuin maallikoiden tai alkuperäkysymyksen harrastajien. Tulkintaerojen taustalla näyttää olevan maailmankatsomukselliset erot. Karkeasti voidaan sanoa, että Jumalaan uskovien mielestä toisen pääsäännön ja evoluutio välillä on ristiriita, kun taas ne, joille Jumala on vähemmän merkittävä tekijä olemassaolon selittäjänä eivät näe mitään ristiriitaa. Kaikki asiantuntijat eivät ota suoraan kantaa asiaan. Esimerkiksi Richard Feynman puhuu palautumattomuudesta, jolloin hän kuitenkin viittaa termodynamiikkaan pohtiessaan maailmankaikkeuden syntyä.


Antero Aittomäki, emeritusprofessori, Energia- ja prosessitekniikka, Tampereen teknillinen yliopisto.

Entropiasta on usein vääriä, jopa omituisia ja mystisiä käsityksiä.
Makroskooppisena se on luonteeltaan määritelty apusuure. Entropia ei ole mikään aineen tai systeemin (riittävän suuren molekyylijoukon) fysikaalinen mitattavissa oleva makroskooppinen suure - päinvastoin kuin monet muut, kuten lämpötila, paine, nopeus.  Historiallisesti (Clausiuksen esittämänä) entropia on määritelty systeemiin viedyn tai siitä poistetun lämmön avulla. Tämäkin on fysikaalisesti onneton määrittely, koska mitään lämpöä ei varsinaisesti ole olemassa. Lämmöksi on tapana kutsua aineen atomien tai molekyylien liiketilan energiaa. Lämmön siirtyminen on tämän liike-energia siirtymistä molekyylien välisten voimien välityksellä molekyylistä toiseen. Lämmönsiirto on siis siirtymätilassa olevaa molekyylien liike-energiaa. Siirtyminen lakkaa, kun molekyylijoukon energiatilojen jakautumat ovat samat.

Entropian täsmällisempi sisältö liittyy systeemin mikroskooppisen tilan todennäköisyyteen. Yksinkertainen analogia on punaisten ja valkoisten pallojen sekoitus astian eri puolten välillä sitä ravistelemalla (vastaten lämpöliikettä). Jos alkutilassa pallot ovat eri puolilla ja ravistelua jatketaan riittävästi, sekoittuvat pallot lopulta täysin. Alkutilan palautuminen on hyvin epätodennäköistä, joskaan ei teoriassa täysin mahdotonta. Suureen määrään molekyylejä sovellettuna voidaan sanoa tällaisen jakautuman saavuttaminen mahdottomaksi. Entropia kuvaa tietyn systeemin tilan suurinta todennäköisyyttä, tosin normaalista matemaattisesta todennäköisyydestä poiketen, ns. termodynaamista todennäköisyyttä. Koska molekyylien lämpöliikkeen takia systeemin pyrkii järjestäytyneestä tilasta kohti suurempaan epäjärjestystä, on entropia on siis järjestäytymättömyyden eli epäjärjestyksen mitta. Entropia olisi luontevampaa määritellä alunperin tämän todennäköisyyden pohjalta. Siitä päästään melko helposti myös klassilliseen määrittelyyn siirretyn lämmön ja lämpötilan avulla - kunhan lämpötilan käsite on ensin määritelty.

Sekoittaminen suurentaa yllä kuvatun systeemin todennäköisyyttä, siis kasvattaa sen entropiaa. Lämmön vienti systeemiin siirtää sen molekyylien liike-energioiden jakautumaa suurempiin nopeusluokkiin. Kvanttimekaniikan mukaisestihan kaikki arvot eivät ole sallittuja, joten jakautuma on portaattainen. Samalla energioiden jakautuma levenee, mikä tarkoittaa toisistaan eroavien mikrotilojen lukumäärän lisääntymistä. Tämä kvanttimekaanisesti mahdollisten tilojen lukumäärän kasvu suurentaa termodynaamista todennäköisyyttä eli siis myös entropiaa.

Termodynamiikan toisen pääsäännön sisältö on juuri systeemin pyrkiminen ilman ulkopuolelta tulevaa vaikutusta eli "itsestään" kohti suurimman entropian tilaa.

Kiistaa näyttää herättävän myös se, voiko suljetussa systeemissä järjestys kasvaa energian viennin ansiosta. Molekyylijoukon lämmittäminen lisää molekyylien liikenopeutta ja atomien värähtelyä molekyylissä. Tällöin molekyylit pääsevät "läheisempään kontaktiin" tai sitten hajoavat pienempiin molekyyleihin tai atomeihin mahdollistaen sopivassa "keitoksessa" uusien yhdisteiden syntymisen. Olosuhteista ja reaktioketjusta riippuen voi syntyä hyvinkin mutkikkaita yhdisteitä. Sopivilla katalyyteillä (entsyymeillä) voidaan reaktioita helpottaa siten, että ne tapahtuvat alemmassa lämpötilassa. Voisi siis ajatella, että mutkikkaampien molekyylien syntyminen on järjestyksen lisääntymistä, mikäli tämä tulkitaan järjestykseksi. Syntyvien yhdisteiden entropia onkin pienempi kuin lähtöaineiden yhteinen entropia. Koska kuitenkin systeemiin viety lämpö nostaa aineiden lämpötilaa, on tuloksena systeemin kokonaisentropian suurentuminen. Kun systeemi palautuu alkulämpötilaan, menee tämä lämpö ympäristöön eli "hukkaan". Toista pääsääntöä ei siis rikota.

Toisen pääsäännön soveltaminen koko maailmankaikkeuteen ja sen muuttumiseen on aika rohkeaa. Onhan käsityksemme aineesta ja maailmankaikkeudesta vielä vajavainen. Ei ole selvillä mm. mitä ovat pimeä aine ja pimeä energia, joiden olemassa oloa pidetään kuitenkin tällä hetkellä yleisesti faktana. Myös kaiken alku eli big bang on osittain hämärä.


John M. Cimbala, professori, koneensuunnittelu, Pennsylvania State University.

"Tässä lyhyessä artikkelissa esitän tulkintani termodynamiikan toisesta pääsäännöstä ja miksi uskon sen osoittavan luoja Jumalaan.

Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan "eristetyssä systeemissä luonnollinen prosessi etenee sellaiseen suuntaan, jossa käyttökelvoton energia (entropia) kasvaa." Eli eristetyssä systeemissä epäjärjestys aina kasvaa ajan kuluessa. Esimerkkinä kuuma kahvikuppi eristetyssä huoneessa. Huoneen kokonaisenergia pysyy vakiona (ensimmäisen pääsäännön mukaan). Kun kahvikuppi jäähtyy käytettävissä olevan energian määrä vähenee ja käyttökelvottoman energian määrä kasvaa. Kun kahvikuppi on jäähtynyt huoneen lämpötilaan, systeemi on kohdannut lämpökuoleman eli kaikki energia on muuttunut käyttökelvottomaan muotoon.

Koko maailmankaikkeutta voidaan pitää eristettynä systeeminä. Tähdet ovat kuumia, kuten kahvikuppi, ja ne jäähtyvät lämmön siirtyessä avaruuteen. Tähdet edustavat kahvikupin tapaan käyttökelpoista energiaa viileämmässä avaruudessa. Toisen pääsäännön mukaan käyttökelpoinen energia muuttuu koko ajan käyttökelvottomaan muotoon. Maailmankaikkeutta voisi verrata vieterikelloon, joka hiljalleen menettää vetoaan. Koska käyttökelppoinen energia koko ajan muuttuu käyttökelvottomaan muotoon, niin jonkun on täytynyt antaa käyttökelpoista energiaa ajan alussa. (Jonkun on täytyy aluksi vetää maailmankaikkeus-kellon vieteri). Kuka tai mikä olisi voinut sen tehdä? Vain sellainen vaikuttaja, jota toinen pääsääntö ei sido. Ainoastaan toisen pääsäännön luoja on voinut luoda käyttökelpoista energiaa.

Koska maailmankaikkeuden käyttökelpoinen energia koko ajan vähenee, niin aikaisemmin sitä oj täytynyt olla enemmän ja kelloanalogian mukaan maailmankaikkeus-kellon vieterin on joskus täytnyt olla täydessä vedossa. Maailmankaikkeus ei siis voi olla äärettömän vanha. Tästä voidaan tehdä vain yksi johtopäätös: maailmankaikkeudella on ollut alku ja tuon alun aiheuttajan on täytynyt olla termodynamiikan laeista riippumaton.

Onko tämä tieteellinen jumalatodistus? Uskon niin.Kehitysopilliset teoriat eivät voi kumota yllä esitettyä jumalatodistusta. Tämänkaltainen todistus auttoi minua vakuuttumaan Jumalan olemassaolosta ja hyväksymään hänen pelastussuunnitelmansa poikansa Jeesuksen Kristuksen kautta." (Lyhennellen suomennettu).


Richard Feynman, professori, teoreettinen fysiikka, Caltech.

"Jotkut ihmiset ovat ehdottaneet, että maailma tuli järjestäytyneeksi seuraavalla tavalla. Alussa koko maailmankaikkeus oli vain yhtä sekasotkua, kuten sekoittunut vesi... Jotkut fyysikot (150 vuotta sitten) ehdottivat, että tämä systeemi koki fluktuaation (systeemin tila siirtyi pois tasapainosta) ja nyt me olemme täällä havainnoimassa kuinka tämä fluktuaatio on palaamassa entiselleen (kohti tasapainoa). Jos maailmankaikkeus ei olisi fluktuoinut tarpeeksi kauas tuottaakseen evoluution ja älykkään ihmisen, me emme olisi täällä havainnoimassa sitä. Mutta minun mielestäni tämä teoria ei ole totta. Pidän sitä naurettavana teoriana... Tieteen havainnot osoittavat, että maailma ei ole syntynyt fluktuaation seurauksena, vaan että se oli alunperin järjestäytyneempi kuin nykyään. Siksi me tarvitsemme uuden fysiikan lain, jonka mukaan maailma oli aikaisemmin järjestyneempi kuin nykyään. Tämä laki tarvitaan, jotta tässä kaikessa olisi järkeä ja jotta me ymmärtäisimme oikein palautumattomuuden (irreversibility)." (Feynman 1965, s.114-116). (Lyhennellen suomennettu).



Kaarle Kurki-Suonio, emeritusprofessori, didaktinen fysiikka, Helsingin yliopisto.

"Biologinen evoluutio (ts. elämän synnyn jakehityksen selittäminen evoluutioteorialla) ei ole ristiriidassa termodynamiikan toisen pääsäännön (tai tunnettujen fysiikan lakien) kanssa."


Markku Lampinen, professori, lämpötekniikka ja koneoppi, Aalto-yliopisto.

"Systeemin ja ympäristön (eli koko universumin) yhteenlaskettu entropia pyrkii kaikissa muutoksissa aina kasvamaan (die Entropy der Welt sterbt einem maximum zu, Clausius). Tällöin on mahdollista että jossain systeemissä (elämää sisältävässä systeemissä) entropia voi pienentyä, mutta sen vastikkeena tämän systeemin ympäristössä entropia kasvaa entistä enemmän, eli evoluutio tapahtuu "toisten systeemien kustannuksella"." (Lampinen 2013).



Andy McIntosh, vieraileva professori, termodynamiikka ja polttotekniikka, kemian ja prosessitekniikan laitos, Leedsin yliopisto. Professorina 2002 - 2012.

"Urani matematiikan ja tieteen parissa on saanut minut vakuuttumaan siitä, että luonnossa ja maailmankaikkeudessa on selviä suunnittelun todisteita. Elävissä organismeissa oleva informaatio, jonka ei havaita syntyvän materiasta itsestään, osoittaa spontaanin elämän synnyn (abiogeneesi) myytiksi. Lisäksi havainnot osoittavat, että pelkkä energian virtaus avoimeen systeemiin ei koskaan tuota uutta informaatiota eikä elämälle tyypilliset molekyylikoneet ole voineet syntyä sattumaan perustuvan prosessin tuloksena. Uutta informaatota sisältäviä eliöitä ei ole voinut kehittyä alkukantaisista esi-isistään."

Maapallolla olevat korkealaatuista hiiltä sisältävät sedimenttikerrostumat viittaavat kastastrofaaliseen syntyprosessiin. Tietyissä paikoissa on suuri määrä hyvin säilyneitä fossiileja, mikä vahvasti viittaa maailmanlaajuiseen tulvaan (vedenpaisumus). En epäile Raamatun luomiskertomuksen ja vedenpaisumuskertomuksen todenperäisyytta." (McIntosh 2014)


Jukka Tulkki, professori, lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos, Aalto-yliopisto.

"Juju on siinä, että sen osan ainetta, joka järjestäytyy "eläväksi" molekyyliksi mikrotilojen määrä pienenee, mutta samalla sen osan ainetta, joka ei muodosta elävää organismia mikrotilamäärä kasvaa enemmän kuin ensinmainitun aineen pienenee. Siis evoluution seurauksena entropian kokonaismäärä jatkaa kasvuaan. Asia voitaisiin osoittaa helpohkosti tietokonesimulaatioin." (Tulkki 2009).



Gordon J. Van Wylen, professori, konetekniikka, Michiganin yliopisto.

"Esiin nousee kysymys kuinka maailmankaikkeus saavutti alhaisen entropian tilansa, koska kaikki tunnetut luonnolliset prosessit kasvattavat entropiaa? Onko olemassa tuntemattomia prosesseja, kuten "jatkuva luominen", joka vähentäisi entropiaa ja toimisi siten vastavoimana entropiaa kasvattaville prosesseille, jotka me tunnemme? Toisaalta asteikon toisessa päässä on kysymys maailmankaikkeuden kohtalosta. Odottaako sitä lämpökuolema, jolloin elämä päättyy? Ilmeisesti me emme voi antaa lopullisia vastauksia näihin kysymyksiin toisen pääsäännön perusteella, mutta sillä on kuitenkin filosofista merkistystä. Toinen pääsääntö lisää kirjoittajan vakuuttuneisuutta siitä, että on olemassa Luoja, jolla on vastaus ihmisen ja maailmankaikkeuden tulevaan kohtaloon." (Van Wylen, 1959).


Lainauksista on korjattu kirjoitusvirheitä ja niihin on saatettu lisätä selittäviä osia muuttamatta vastaajan alkuperäistä ajatusta. Suomennokset Tieteen rakkikoira. Kuvat Tieteen rakkikoira ellei muuta mainita.


Lähteet:

Aittomäki, Antero (2007): Teknillinen termodynamiikka. Prosessit ja energian muutokset, luentomonisteita, Tampereen teknillinen korkeakoulu

Capek, Vladislav & Sheenan, Daniel P. (2005): Challenges to the Second Law of  Thermodynamics, Theory and Experiment, Springer, Dordrecht

Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H.; Cimbala, John M. (2008): Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, 3rd edition, McGraw-Hill, New York

Dubos, René (1966): Pasteur ja uudenaikainen tiede, WSOY, Porvoo

Feynman, Richard (1965): The Charcater of  Physical Law, Penguin Books, London

Hemilä, Simo & Utriainen, Juha (1989): Lämpöoppi, Suomen Fyysikkoseuran julkaisuja 3, Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä

Hämäläinen, Marko (2006): Laskennallisen termodynamiikan perusteet, Luento 2, kevät 2006, Teknillinen korkeakoulu, Espoo

Kangas, Lauri (2014): Maapallo ei ole suljettu järjestelmä, HS Mielipide 30.10.2014

Kondepudi Dilip & Prigogine, Ilya (1999): Modern Thermodynamics From Heat Engines to Dissipative Structures, John Wiley & Sons, New York

Lampinen, Markku J. (1997): Termodynamiikan Perusteet, Otatieto Oy, Tampere

Lampinen, Markku J. (2013): Kirjeenvaihto Markku Lampinen - Raimo Lonka

McIntosh, Andy (2014): Kirjeenvaihto Andy McIntosh - Raimo Lonka

McQuarrie, Donald A.; Simon, John D. (1999): Molecular Thermodynamics, University Science Books, Sausalito

O'Connell, John Paul & Haile, J.M. (2005): Thermodynamics: fundamentals for applications, Cambridge University Press

Prigogine, Ilya & Stengers, Isabell  (1984): Order out of Chaos, Flamingo

Saari (2007): Teknillinen termodynamiikka, luentomoniste osoitteessa www2.lut.fi/~saari/TTD/Luennot/2perL1.html

Suntola, Tuomo (2012): Tieteen lyhyt historia - vai pitkä tie luonnonfilosofian ja empirismin kohtaamiseen, Physics Foundations Society

Ryti, Henrik (1975): Termodynamiikka, kirjassa Tekniikan käsikirja 2, K.J. Gummerus Osakeyhtiö, Jyväskylä

Stowe, Keith (2007): An Introduction to Thermodynamics and Statistical Mechanics, 2nd edition, Cambridge University Press

Tulkki, Jukka (2009): Kirjeenvaihto Jukka Tulkki - Raimo Lonka

Turns, Stephen R. (2006): Thermal-fluid sciences An Integrated Approach, Cambridge University Press, New York

Van Wylen, Gordon J. (1959): Thermodynamics, John Wiley&Sons, Inc., New York

Vehkamäki Hanna & Allo, Mai (2014): Termofysiikan lait eivät horju, HS Mielipide 31.10.2014

Vikstén, Ralf (1993): Lämpövoimaprosessit, Luentomoniste, Teknillinen korkeakoulu, Espoo

2 kommenttia:

  1. Moro,
    osaatko vastata

    Itellä on tässä ongelma jonka kans tullut pähkäiltyä. Jäähdytys jota voidaan jäähdyttää ilmalla ja vedellä siellä kulkee teräslevy jonka mitat ovat 1500mm leveä 3mm paksu ja se kulkee 1.2m/s eteenpäin sekä Jäähdytyksen pituus on 10metriä. Kyseinen kappale esimerkiksi 1.2 metrin mittainen. Kappaleen tullessa jäähdytykseen on sen lämpötila 940 C ja jos jäähdytetään pelkällä ilmalla lämpötila poistuessa on 870C. mutta jos kappaleen alapinnalle suihkutetaan vettä saman ilmamäärän kanssa on poistumislämpötila 820C. Vettä suihkutetaan siten että 5 metrin matkalla vettä tulee 2.2l/s ja toisen 5 metrin matkalla samat 2,2l/s. (HUOMI! lma puhaltimien arvot ovat samat kuin ilman vettä.) Nyt haluaisin kertoimen että jos vauhtia nostetaan kyseiselle kappaleelle esimerkiksi 2m/s kuinka paljon enemmän vettä on suihkutettava alapinnalle jotta poistumislämpötila olisi sama 820 C astetta???? on vaikka teräslevy.
    Itellä ei hajuakaan

    VastaaPoista
  2. Moi Aleksi,

    Kiitos viestistäsi ja kysymyksestäsi. Pahoittelen vastaukseni viivästymistä, mikä pääasiassa johtuu omasta mielenkiinnon puutteesta tätä blogia kohtaan. Valitettavasti en osaa antaa sinulle vastausta varsin käytännönläheiseen kysymykseesi. Voisit esittää kysymyksesi jossakin suomen- tai englanninkielisellä fysiikkafoorumilla. Uskoisin, että jostain löytyisi joku, joka osaisi esittää laskelmia ongelmasi ratkaisemiseksi.

    Mikäli se olisi mahdollista, niin asia voisi selvitä ihan käytännön testillä eli muuttamalla systeemin parametrejä ja katsomalla miten levyn lämpötila muuttuu.

    Toivottavasti löydät riittävän tarkan ratkaisun ongelmaasi!

    VastaaPoista