Þú opnar frystinn, tekur nokkra klaka úr boxinu og setur út í vatnsglas. Ánægjan við að fá sér ískaldan drykk getur verið mikil. En gjaldið fyrir þá ánægju er mun meira: Eftir því sem klakarnir bráðna færist alheimur nær endalokum sínum.
Í klökum þínum sitja sameindirnar saman í vel skipulögðu mynstri en þegar klakarnir komast í snertingu við kranavatnið byrja þeir að bráðna – og skipulagið innan þeirra riðlast þar til sameindirnar synda allar í glasinu í einni heljarinnar ringulreið.
Fyrir vikið hefur óreiðan í alheimi vaxið lítillega. Og hún getur aðeins orðið meiri en aldrei minnkað. Að lokum mun hún tortíma öllu.
Óreiðan vex
Gríski bókstafurinn Δ (delta) lýsir í stærðfræðinni breytingu. Táknið S merkir óreiðuna, þ.e.a.s. hversu mikil ringulreiðin er.
Alheimur endar í ringulreið
Breytingin í óreiðunni er stærri eða jöfn núlli og það felur í sér að óreiðan getur aldrei minnkað. Með öðrum orðum: Alheimur verður sífellt óreiðukenndari.
Þessi ringulreið – sem er lýst í 2. lögmáli varmafræðinnar – nefnist óreiða (e. entropy) og ekki er jafn einfalt að skilja hana eins og óreiðuna í barnaherberginu heima fyrir.
Eðlisfræðingur myndu lýsa óreiðu sem mælingu á því hversu mikil orkan hefur dreifst milli sameinda í lokuðu kerfi. Óreiða fer ævinlega vaxandi við náttúruleg ferli í lokuðu kerfi.
Ef þetta lokaða kerfi, t.d. gullstöng, er jafnvægt hvað orkuna varðar, hafa allar sameindir í því kerfi að meðaltali sömu orku.
En þar sem sameindirnar færa stöðugt orku hver til annarrar er ólíklegt að þær séu á tilteknu augnabliki með nákvæmlega sömu orku. Rétt eins og útilokað er að ein sameind í gullstönginni beri alla orkuna.
Sameindir kjósa óreiðu
Ef við ímyndum okkur að gullstöngin samanstandi af einungis þremur sameindum og þremur orkustigum, þá getur hver sameind haft eina orkueiningu, ein sameind getur haft allar þrjár o.s.frv. Alls inniheldur þetta dæmi tíu mögulegar samsetningar.
2. varmalögmálið varðar t.d.:
Bílvélar sóa orku
2. lögmál varmafræðinnar kveður á um að varmi fari ævinlega frá hlut sem er heitari í átt að öðrum sem er kaldari. Þetta veldur meiri óreiðu en gerir einnig sprengjuvélar óskilvirkar. Þegar bensín er brennt í vélinni losnar lang mest orka í formi varma sem leitar í hluti með lægra hitastig. Ekki nema um þriðjungur orkunnar fer í að knýja bílinn áfram.
Frystirinn eykur óreiðu í alheimi
Kaldur hlutur hefur minni óreiðu en heitur. 2. lögmál varmafræðinnar útilokar minnkun óreiðunnar og því verður aldrei neitt samstundis kalt. Frystir virðist stríða gegn þessu lögmáli, því að innihald hans verður kalt en kælingin – minni óreiða – gerist á kostnað meiri óreiðu annars staðar: Kæligrindin á bak við frystinn hitnar og þar með eykst óreiðan. Öllu meira heldur en hún minnkar inni í frystinum.
Lögmálið útilokar eilífðarvél
Um aldaraðir hafa uppfinningamenn látið sig dreyma smíði eilífðarvélar: Apparat sem getur keyrt að eilífu, þegar búið er að setja það í gang. Því miður er slík vél ómöguleg, enda stríðir hún gegn 2. lögmáli varmafræðinnar. Ef t.d. hjól snýst í hringi hitar núningurinn við öxulinn hann upp sem strax eykur hrörnunina með því að hita umhverfið lítillega. Maskínan hefur því glatað orku og því þarf að bæta nýrri orku við, eigi hún að geta haldið áfram.
Í raunverulegri gullstöng eru milljarðar af sameindum og billjónir af samsetningarmöguleikum og tölfræðilega séð er ákaflega ólíklegt að öll orkan safnist saman í einni sameind.
Í raunveruleikanum mun orkan dreifast undir eins jafnt yfir allar sameindirnar – óreiðan verður eins mikil og kostur er.
Í kaldri gullstöng titra sameindirnar lítillega. Þær eiga erfitt með að skiptast á orku og óreiðan er því tiltölulega lítil í þessu lokaða kerfi.
Ef við tökum nú glóandi heita gullstöng – þar sem sameindirnar titra á miklum hraða og óreiðan er mikil – og leggjum hana ofan á kalda gullstöng þá mun hrörnunin vaxa undir eins. Efri gullstöngin gefur frá sér varma til þeirrar fyrir neðan þar til hitastigið verður jafnt í þeim báðum.
LESTU EINNIG
Í þessu ferli minnkar óreiðan lítillega í heitu stönginni en að sama skapi vex hún í þeirri köldu þar sem sameindirnar geta nú titrað aðeins meira en áður.
Þannig getur orkan nú deilst niður og óreiðan vaxið. Ferli þetta fylgir 2. lögmáli varmafræðinnar algjörlega.
Þróunin getur aldrei farið í hina áttina. Ef við tökum nú frosna gullstöng út úr frystinum og leggjum hana ofan á þær tvær sem fyrir voru, þá mun óreiðan minnka meðan þær tvær kólna en frosna gullstöngin hefur skilið eftir ennþá meiri óreiðu á öðrum stað.
Frystirinn sem kældi síðastnefndu gullstöngina niður, hefur gefið frá sér varma út í loftið umhverfis sig meðan á frystingunni stóð og þar með hefur óreiðan vaxið.
Þar sem óreiðan getur ekki minnkað munu allar sameindir í alheimi samkvæmt 2. lögmáli varmafræðinnar enda með því að vera blandaðar saman í einni risavaxinni hlandvolgri súpu. Sem betur fer er þetta ástand ekki yfirvofandi í bráð. Útreikningar sýna að dómsdagur óreiðunnar verður fyrst eftir einhver 1026 ár.
