Ly cà phê chỉ nguội đi mà không bao giờ tự nóng lại vì nhiệt luôn tự chảy từ chỗ nóng sang chỗ lạnh, chưa ai thấy nó tự chảy ngược lại. Đó là nội dung của định luật hai nhiệt động lực học. Năng lượng không hề mất đi, nó chỉ tản ra khắp căn phòng cho đều, và đã tản ra rồi thì không tự gom về lại một chỗ.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Ở tập trước mình nói năng lượng được bảo toàn. Vậy nếu năng lượng không mất, sao ta vẫn phải lo hết năng lượng? Câu trả lời nằm trong ly cà phê phin đang nguội dần trên bàn, và nó dẫn tới một trong những ý tưởng sâu sắc nhất của vật lý: vì sao thời gian chỉ đi một chiều.
Năng lượng không mất, nhưng nó tản ra
Khi ly cà phê nguội, nhiệt của nó không biến mất. Nó truyền sang mặt bàn, sang không khí, sang tay bạn. Tổng năng lượng của cả căn phòng vẫn y nguyên. Định luật thứ nhất, bảo toàn năng lượng, vẫn được giữ đúng.
Thế nhưng trước đó năng lượng ấy tập trung trong một ly nhỏ ở nhiệt độ cao, bạn uống được, có thể dùng nó để làm ấm tay. Sau đó, nó tản ra khắp căn phòng, làm mỗi phân tử không khí ấm hơn một chút không đáng kể. Bạn không còn dùng được nó vào việc gì nữa.
Định luật thứ hai nói về điều đó. Năng lượng có thể được bảo toàn, nhưng chất lượng của nó, khả năng làm được việc của nó, luôn có xu hướng giảm đi khi để mặc nó tự nhiên.
Đó là lý do ta vẫn phải đốt nhiên liệu, vẫn phải sạc pin. Ta không thiếu năng lượng, ta thiếu năng lượng ở dạng tập trung, dùng được.
Vì sao nhiệt chỉ chảy một chiều?
Hãy nhìn ở mức phân tử. Phân tử cà phê nóng rung lắc mạnh, phân tử không khí xung quanh rung lắc yếu hơn. Khi chúng va vào nhau, thường thì hạt mạnh truyền bớt chuyển động cho hạt yếu. Sau vô số lần va chạm, chuyển động được chia đều.
Về nguyên tắc, không có định luật nào cấm các va chạm tình cờ dồn năng lượng ngược về ly cà phê. Nhưng số cách để năng lượng được chia đều khắp phòng nhiều hơn số cách để nó tụ lại trong ly tới mức không thể tưởng tượng. Khả năng tự nóng lại nhỏ tới mức trên thực tế không bao giờ xảy ra, kể cả nếu bạn chờ lâu hơn tuổi của vũ trụ.
Hình dung bạn xáo một bộ bài đã xếp theo thứ tự. Xáo vài lần, nó lộn xộn. Xáo tiếp mãi, khả năng nó tự trở về đúng thứ tự ban đầu gần như bằng không. Không có gì cấm, chỉ là có quá nhiều kiểu lộn xộn so với một kiểu ngăn nắp.
Cách giải thích bằng xác suất này gắn với tên nhà vật lý Ludwig Boltzmann ở thế kỷ mười chín, và nó biến định luật hai từ một quan sát thực nghiệm thành một kết quả của việc đếm.
Entropi: thước đo của sự tản ra
Các nhà vật lý dùng một đại lượng gọi là entropi để đo mức độ tản ra, hay nói nôm na là độ lộn xộn, của một hệ. Năng lượng tập trung ở một chỗ thì entropi thấp, tản đều khắp nơi thì entropi cao.
Định luật hai phát biểu: trong một hệ cô lập, không trao đổi gì với bên ngoài, entropi không bao giờ giảm. Nó tăng lên hoặc, trong trường hợp lý tưởng, giữ nguyên.
Đá tan trong ly trà, mùi nước hoa lan khắp phòng, giọt mực loang trong cốc nước, đều là entropi tăng. Bạn chưa bao giờ thấy mực tự gom về thành một giọt, hay mùi nước hoa tự chui ngược vào lọ.
Chữ lộn xộn chỉ là cách nói cho dễ nhớ. Định nghĩa chính xác của entropi liên quan tới số cách sắp xếp các hạt mà bên ngoài trông vẫn như nhau, và nó được tính toán chặt chẽ trong vật lý.
Tủ lạnh có lách luật không?
Tủ lạnh lấy nhiệt từ ngăn lạnh và đẩy ra dàn nóng phía sau, tức là chuyển nhiệt từ chỗ lạnh sang chỗ nóng, ngược với chiều tự nhiên. Có vẻ như nó vi phạm định luật hai.
Không hề. Định luật hai nói nhiệt không tự chảy từ lạnh sang nóng. Tủ lạnh không để nó tự chảy; nó tốn điện, chạy máy nén để ép nhiệt đi ngược chiều. Và khi tính cả nhà máy điện, dây điện, máy nén, tổng entropi của toàn bộ hệ vẫn tăng.
Đó là lý do phía sau tủ lạnh luôn ấm, và căn bếp đóng kín có tủ lạnh mở cửa sẽ nóng lên chứ không mát đi. Tủ lạnh thải ra phía sau nhiều nhiệt hơn lượng nó lấy từ ngăn lạnh, vì cộng thêm cả phần điện năng biến thành nhiệt.
Tương tự, sự sống tạo ra trật tự, từ một hạt mầm thành cái cây, nhưng nó làm được vì liên tục nhận năng lượng chất lượng cao từ ánh nắng và thải ra nhiệt. Trật tự ở một chỗ luôn được trả bằng sự tản ra lớn hơn ở chỗ khác.
Mũi tên thời gian và những câu hỏi còn mở
Hầu hết các định luật vật lý ở mức hạt đơn lẻ không phân biệt quá khứ và tương lai. Một đoạn phim quay hai quả bi va nhau chiếu ngược vẫn trông hợp lý. Nhưng một đoạn phim chiếu ngược ly cà phê tự nóng lên, quả trứng vỡ tự liền lại thì ai cũng biết là phim tua ngược.
Nhiều nhà vật lý cho rằng cảm nhận về chiều của thời gian gắn liền với việc entropi tăng. Ta nhớ quá khứ mà không nhớ tương lai, trứng vỡ mà không tự liền, vì vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái entropi rất thấp và từ đó cứ tản ra dần.
Vì sao vũ trụ lại bắt đầu ở trạng thái ngăn nắp như vậy là câu hỏi mà các nhà vũ trụ học vẫn đang tranh luận. Đây là vùng đã ra khỏi kiến thức chắc chắn, bước vào giả thuyết.
Lần tới nhìn ly cà phê nguội trên bàn, bạn có thể nghĩ rằng mình đang ngắm một định luật mà nhiều nhà vật lý coi là vững chắc bậc nhất. Và câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: nếu mọi thứ đều có xu hướng tản ra, thì vì sao một quả bóng bàn rơi nảy lên thấp dần mà không bao giờ nảy cao hơn lần trước?
Câu hỏi thường gặp
Định luật hai nhiệt động lực học nói gì?
Có nhiều cách phát biểu tương đương. Cách dễ hiểu nhất là nhiệt không tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn, hoặc trong một hệ cô lập, entropi không bao giờ giảm.
Vì sao không có động cơ nào đạt hiệu suất tuyệt đối?
Mọi động cơ nhiệt phải thải một phần nhiệt ra môi trường lạnh hơn để hoạt động, đó là yêu cầu của định luật hai. Thêm ma sát và thất thoát, phần năng lượng biến thành công có ích luôn nhỏ hơn năng lượng nhiên liệu cung cấp.
Entropi có liên quan tới chuyện phòng bừa bộn không?
Chỉ ở mức hình ảnh so sánh. Phòng bừa bộn theo nghĩa đồ đạc lộn xộn không phải entropi nhiệt động; dù vậy việc dọn phòng cũng tốn năng lượng của bạn và làm bạn toả nhiệt, đúng tinh thần của định luật hai.
Giữ cà phê nóng lâu hơn bằng cách nào?
Dùng cốc có nắp và thành cách nhiệt để chặn đối lưu, dẫn nhiệt và bay hơi. Làm nóng cốc trước bằng nước sôi cũng giúp cà phê không mất nhiệt ngay khi rót vào.
Vũ trụ có nguội dần không?
Theo hiểu biết hiện nay, vũ trụ đang giãn nở và năng lượng ngày càng tản ra. Một số kịch bản cho rằng trong tương lai cực kỳ xa, mọi thứ sẽ đạt trạng thái gần như đồng đều, nhưng đó là dự đoán rất xa và còn nhiều điều chưa chắc.
