Onko liikemäärän säilyminen ja ko. kappaleiden energiamuutos sama asia kuin entalpian ja entropian säilyminen ja muutos energiatekniikassa ja kemiassa? Näyttävät niin kovasti samoilta?

Kysyjä: Antti Lankinen

Akatemiatutkija Aleksi Vuorinen, fysiikan laitos, Helsingin yliopisto:

Energian ja liikemäärän säilyminen ovat fysiikan perustavimpia säilymislakeja, joiden on kokeellisesti todettu pitävän paikkansa kaikissa mittasuhteissa mikroskooppiselta hiukkastasolta aina kosmologisiin skaaloihin saakka.

Liikemäärä on helppo määritellä ja käsittää: ei-relativistisille kappaleille se on yhtä kuin hiukkasen massa kertaa nopeus. Energia puolestaan on paljon monimutkaisempi käsite. Energiaa on ensinnäkin montaa eri tyyppiä: sitä voi varastoitua kappaleiden liikkeeseen (kineettinen energia), niiden välisiin vuorovaikutuksiin (potentiaalienergia), ja Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan jopa kappaleen lepomassaan. Lisäksi energian eri lajit voivat muuntua toisikseen, kuten kineettinen energia potentiaalienergiaksi ja takaisin - näin käy, kun jousi värähtelee tai pallo vierii kuopan seinämältä toiselle.

Energian monimuotoisuudesta johtuu, että vaikka liikemäärän nähdään aina säilyvän, jotkut arkipäivän ilmiöt vaikuttavat rikkovan energian säilymisen. Hyvä esimerkki tästä on toisiaan kohti vierivät pallot, jotka törmäyshetkellä takertuvat toisiinsa. Pallojen liikemäärän huomataan tällöin säilyvän, mutta kappaleiden liikkeeseen liittyvä energia vaikuttaa vähenevän dramaattisesti. Havainto on oikea, sillä energia todella muuntuu törmäyshetkellä kineettisestä muodosta molekyylitason potentiaalienergiaksi.

Entropia eli epäjärjestyksen määrä ja entalpia, joka kuvaa tiettyjen systeemien kokonaisenergiaa, eivät puolestaan ole lainkaan mikromaailman käsitteitä. Päinvastoin, ne ovat termodynaamisia suureita, jotka kuvaavat isojen, tyypillisesti paljain silmin nähtävien systeemien ominaisuuksia.

Osviittaa mikro- ja makromaailman erosta saa muistamalla, että yksi mooli ainetta, esimerkiksi 12 grammaa hiiltä, sisältää melkein 10^24 atomia tai molekyyliä. Myös tällaista hiilenpalasta hallitsevat samat luonnonlait kuin yksittäisiä atomeja - erityisesti energian ja liikemäärän säilyminen - mutta käytännössä makrotason systeemin kuvailu tapahtuu karkeampien suureiden, kuten lämpötilan, tiheyden tai vaikka paineen kautta.

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö kertoo termodynaamisen energian säilyvän: systeemin sisäinen energia muuttuu siihen tuodun lämmön ja systeemin tekevän työn erotuksen verran. Toisen pääsäännön mukaan lämpöä ei puolestaan voi muuttaa kokonaan työksi, mikä eristetyssä systeemissä näkyy entropian kasvuna.

Juuri tässä on merkittävä ero mikroskooppisen skaalan fysiikkaan verrattuna. Hiukkastasolla (käytännössä) mikä tahansa prosessi voi kulkea kumpaankin suuntaan, eli potentiaalienergia muuntua kineettiseksi energiaksi ja päinvastoin. Sen sijaan makrotasolla kaikki prosessit eivät enää olekaan mahdollisia. Energia voi kyllä muuntua muodosta toiseen, mutta entropian on aina lisäännyttävä; sellaiset prosessit, joissa entropia pienenee, eivät ole mahdollisia.

Vastaus esitettyyn kysymykseen onkin, että suoraa analogiaa mikro- ja makromaailmojen säilymislakien välillä ei ole. Termodynaamiset säilymislait kyllä pohjautuvat mikrotason säilymislakeihin, mutta siirryttäessä mikrotasolta isoihin systeemeihin syntyy ylimääräistä kompleksisuutta, joka kieltää tietynlaiset prosessit. Tähän läheisesti liittyvän entropian kasvun laki jopa määrittää niin sanotun termodynaamisen ajan suunnan: sen mukaan aika kulkee siihen suuntaan, jossa fysikaalisten systeemien epäjärjestys kasvaa.