Fizika A termodinamika második törvénye
Az evolúció ellen gyakran hallott érv az, hogy az ellentmond a termodinamika második törvényének. Még akkor is, ha ezt az érvet ma már csak a népszerű tudomány használja, néhány megjegyzés hozzá.
Valójában a második törvény érvelése a 20. század közepéig tartó alkalmazhatóságáról folytatott vitához vezet vissza:
Alig van olyan tudós, aki kételkedne abban, hogy az életfolyamatok anyagi lefolyására ugyanazok az elvek vonatkoznak, mint az élettelen természetű folyamatokra. Mindazonáltal a fizika egyik legáltalánosabb törvénye, nevezetesen a "termodinamika második törvénye" vagy az "entrópiatétel" kétségeket ébresztett az élő rendszerekre való alkalmazhatóságában egészen a közelmúltig. A biológusok és filozófusok a második törvényt javasolták annak A "hőhalál" jóslata összeegyeztethetetlen a természetben kialakuló szerkezetképződés jelenségével. Rolf Haase: A termodinamika és a szerkezet kialakulásának második törvénye. Natural Sciences 44 (1957): 409-415
Gyakran hallani még válaszként arra az érvre, miszerint a második törvény ellentmond az evolúció lehetőségének (vagyis lapos formában "a rend felé vezető fejlődés"), a második törvény csak a zárt rendszerekre vonatkozik, és ezért biológiai (per se nyitott) rendszerek 1). Ezzel szemben Haase egyértelmű kijelentést tett 1957-ben írt cikkében:
A második törvény modern megfogalmazása [...] azt mondja, hogy bármely rendszer entrópiájának változása mindig két részre bontható. Ezen komponensek közül az első a rendszer és a környezet közötti hő- és anyagcserén alapul, ennek megfelelően lehet pozitív és negatív is, és eltűnik, ha a rendszert hőszigetelt állapotban tartják, vagyis minden "adiabatikus" állapotváltozással. A rendszer entrópiaváltozásának második részének oka van a rendszer belsejében lévő visszafordíthatatlan folyamatokban, ennek megfelelően mindig pozitív, amikor a folyamatok ténylegesen futnak és eltűnnek a visszafordítható állapotváltozások határesetében. Bármely rendszer teljes entrópiája növekedhet és csökkenhet is, és csak egy hőszigetelt rendszer esetében, és így még inkább egy zárt rendszer esetében válik a teljes entrópiaváltozás azonosá a második résszel, így itt a rendszer entrópiája nem csökkenhet. Haase, Cit.
A kulcsszavak a "nem egyensúly egyensúlyi állapota" vagy röviden az "egyensúlyi állapot" (azonos az "egyensúlyi állapot" kifejezéssel) és "az irreverzibilis folyamatok termodinamikája", valamint a "nyitott rendszer", amely egyesíti az energiát a környezetével és anyagcserék 2). A "visszafordíthatatlan folyamatok termodinamikájának" kifejlesztésével kapcsolatban kiemelkedő nevek Lars Onsager és Ilya Prigogine (mindkét Nobel-díjas).
Adott tömegű rendszer számára, amely álló, nem egyensúlyi állapotban van, az entrópiának is állandónak kell lennie az idő múlásával. Mivel az entrópia generálása mindig pozitív a rendszeren belüli irreverzibilis folyamatok folyamatos futása miatt, az entrópia áramlásának negatívnak kell lennie. A környezettel történő hő- és anyagcserét úgy szabályozzák, hogy "negatív entrópia behozatala" következzen be. [...]
Termodinamikai szempontból egy élőlény - az anyagok és az energia környezettel való cseréje, valamint a szervezetben bekövetkező kémiai és egyéb folyamatok miatt - nyitott rendszert képvisel, amelynek belsejében állandóan visszafordíthatatlan folyamatok zajlanak. [...]
A felnőtt élőlény állandó állapotához szükséges negatív entrópia áramlás nemcsak az anyag behozatalával és kivitelével a hőnek a környezetbe történő kibocsátása révén jön létre.
Az idézett részekből világossá válik, hogy már a huszadik század ötvenes éveinek közepén tudományosan megcáfolták azt az érvet, miszerint a termodinamika második törvénye ellentmond az evolúciónak:
Összefoglalhatjuk a következő tényeket:
1. A struktúrák kialakulása élettelen természetben is előfordul, és összhangban van a termodinamika második törvényének állításával.
2. Az a mennyiség, amely bármely rendszerben az irreverzibilis folyamatok folyamatára jellemző, nem az entrópia vagy bármely más állapotfüggvény (szabad energia stb.), Hanem az entrópia generálása, amely - az egyensúly kivételével - mindig pozitív, és ez vonatkozik a biológiaiekre is Rendszerek.
Még az ellenkezője is igaz. Többek között Onsager és Prigogine "irreverzibilis folyamatok termodinamikájának" kifejlesztésével csak érthető volt, hogy miként keletkezhetnek rendezett struktúrák ("disszipatív struktúrák") - ami ezt később kísérletileg is megerősítette (beleértve a Bénard-sejteket is).
A disszpiatív struktúrák stabil, rendezett struktúrák, amelyek kialakíthatók és fenntarthatók nyílt energiakonvertáló nemlineáris rendszerben vagy egy ilyen rendszer részében, állandó energiaellátással és energiakibocsátással, azaz állandó energiaáramláson belül.
A disszipatív struktúrák csak olyan körülmények között fordulnak elő, amelyeket távoli, nem lineáris, nem egyensúlyi termodinamikának írnak le. Általában a bejövő és a kimenő energia dinamikus egyensúlyában vannak, és az átalakuló energia egy részét belső átalakítási folyamatokon keresztül képesek elraktározni, és késleltetni az energiaáramlás egy részét. Stabilak kis zavaroktól.
A disszipatív struktúrák sok közös vonást mutatnak a biológiai organizmusokkal, ezért az élőlényeket általában ezek közé sorolják. A föld felszíne, beleértve a légkört is, egy nem egyensúlyi energiakonvertáló (disszipatív) rendszert alkot, amely a napsugárzás révén elnyeli az energiát, és a hősugárzás révén az űrbe bocsátja. Ebben a rendszerben nagyszámú disszipatív szerkezet alakulhat ki, például felhők, folyók vagy ciklonok, de legalábbis a termodinamika szempontjából alapvetően biológiai rendszerek is.