Erkendelser: Termodynamikken

Maskiner forbruger ikke energi, men omdanner energi fra en tilstand til en anden. Denne og andre erkendelser inden for det område, der kaldes termodynamikken, udgør det videnskabelige grundlag for teknikken. (Foto:Colourbox)

Man kan sige, at naturvidenskaben i almindelighed udgør grundlaget for de tekniske videnskaber og teknologien. Men der er et område af naturvidenskaben, der har været særligt vigtigt for de tekniske videnskaber - nemlig termodynamikken.

Under den industrielle revolution i 1800-tallet blev man i ingeniørvidenskaberne klar over, at maskiner i realiteten ikke forbruger energi, men omdanner energi fra en tilstand til en anden tilstand.

Entropi
Når f.eks. en dampmaskine virker på basis af brændende kul, omdannes den tilgængelige energi (kullets kemiske energi) til henholdsvis arbejde (det ønskede resultat) og utilgængelig energi (i form af spildvarme).

Dette forhold mellem utilgængelig og tilgængelig energi kaldte man entropi - et græsk ord, der beskriver energiens 'indadvending' eller 'utilgængelighed' for at blive anvendt. Energien forsvinder altså ikke, men får en anden tilstand - bliver til varme - ved at blive omsat.

 

De utallige forsøg på at konstruere en evighedsmaskine er en umulighed ifølge termodynamikkens 2. hovedsætning. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

Evighedsmaskiner er umulige
Til syvende og sidst vil al energi ende som varme, og universet går derfor uafvendeligt mod 'varmedøden'. Dette er grundlaget for det, man kalder termodynamikkens 2. hovedsætning, der siger, at i et lukket system kan entropien kun vokse.

Af samme grund er evighedsmaskiner en umulighed. Der vil altid være et varmetab, og enhver maskine skal derfor have tilført tilgængelig energi for at kunne virke.

ERKENDELSER

Hen over sommeren bringer vi på videnskab.dk ti bud på de største naturvidenskabelige erkendelser, som har formet vores måde at se verden på. Serien er lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab 1. Naturen kan forklares uden myter 2. Newtons love 3. Evolutionsteorien 4. Termodynamikken 5. Verden består af atomer 6. Relativitetsteorien 7. Økologien 8. Kvantemekanikken 9. Pladetektonikken 10. Dna-dobbeltspiralen

Termodynamikken er særlig vigtig, fordi den giver svar på, hvilken tilstand det materiale og den energi, der tilføres et teknisk system, skal have for at kunne give et bestemt resultat. For at kunne regulere f.eks. et procesanlæg er det afgørende at kunne beregne, om anlægget vil have en nettoproduktion af varme i forhold til tilstanden af energiindholdet i de materialer og energiformer, der strømmer gennem det.

Termodynamikken - og specielt entropi-begrebet - er også vigtig i en mere filosofisk sammenhæng. Termodynamikkens 2. lov er dybest set det eneste område i fysikken, der forklarer, hvorfor tiden kun kan gå én vej.

Tiden kan kun vokse
I alle andre fysiske formler, hvori tiden indgår, er tiden blot et måleparameter, der ikke tager stilling til, hvilken vej tiden går. I fysikken er tiden normalt blot en varighed, der måles lige godt fra et begyndelsestidspunkt som fra et sluttidspunkt, mens tiden i termodynamikken er en betydning i slægt med begreberne alder, udvikling og umuligheden af at gøre det skete usket.

Dette illustreres ofte med en krukke, der tabes på gulvet og smadres, så skårene flyver til alle sider. Det modsatte kan ikke lade sig gøre. En bunke skår kan ikke tabes på gulvet, og så blive til en hel krukke. Entropien - og dermed tiden - kan kun vokse. Eller sagt på en anden måde: Udviklingen kan ikke spoles tilbage, fordi udviklingen og tiden har retning.

Store naturlige systemer som f.eks. evolutionsbiologien og pladetektonikken, der ikke kan betragtes som lukkede systemer, forudsætter begrebet udvikling, og derfor at tiden har retning.

Naturens udvikling kan ikke rulles tilbage og give det samme resultat, som var engang. Naturens udvikling kan ikke forstås gennem fysikkens love, uden at termodynamikken skaber forbindelsen.

Denne artikel er en forkortet version af en artikel, som er skrevet af Jens Morten Hansen til magasinet Aktuel Naturvidenskab.

Inspiration til undervisning og opgaver
Termodynamikken (Hele artiklen skrevet af Ulrik Uggerhøj til magasinet Aktuel Naturvidenskab)