Đá trong ly nước tan dần, cà phê nóng nguội đi, mùi nước hoa lan khắp phòng. Chiều ngược lại thì chưa ai thấy: nước tự đông thành đá trong phòng ấm hay cà phê tự nóng lên. Những chuyện đời thường này cùng tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, và đại lượng đứng sau nó là entropy. Căn phòng tự bừa ra hay được đem làm ví dụ, nhưng như phần cuối bài sẽ nói, đó chỉ là một phép so sánh dễ gây hiểu lầm.

Căn phòng ngổn ngang thùng giấy. Hình ảnh này hay được dùng để minh họa entropy, dù entropy của chính đồ vật không đổi khi chúng bị xáo trộn

Từ động cơ hơi nước đến chữ "entropy"

Năm 1824, kỹ sư Pháp Sadi Carnot cho rằng động cơ nhiệt sinh công khi nhiệt "rơi" từ vật nóng xuống vật lạnh, giống dòng nước làm quay bánh xe nước. Năm 1850, nhà vật lý Đức Rudolf Clausius nêu rằng nhiệt tự nhiên chỉ truyền từ vật nóng sang vật lạnh, không theo chiều ngược lại. Đó là phát biểu đầu tiên của định luật thứ hai.

Clausius thấy trong động cơ hơi nước, phần năng lượng không còn dùng được để sinh công tăng dần khi hơi đi từ đầu vào tới đầu xả. Năm 1865, ông đặt tên cho đại lượng này là entropy, ghép tiền tố "en-" của "energy" với từ Hy Lạp "tropē", nghĩa là sự biến đổi, vì cho rằng nó liên hệ chặt chẽ với năng lượng. Khi một lượng nhiệt nhỏ truyền vào hệ ở nhiệt độ tuyệt đối T, entropy tăng thêm bằng lượng nhiệt đó chia cho T.

Từ đó, định luật thứ hai được phát biểu gọn: entropy của một hệ cô lập, tức hệ không trao đổi nhiệt hay công với bên ngoài, không bao giờ giảm. Britannica lấy ví dụ cục đá đặt cạnh bếp lò: coi cả hai là một hệ cô lập thì khi đá tan, tổng entropy tăng lên.

Rudolf Clausius (1822-1888), nhà vật lý Đức đặt ra thuật ngữ entropy năm 1865

Boltzmann: entropy là chuyện đếm số cách sắp xếp

Năm 1877, nhà vật lý Áo Ludwig Boltzmann giải thích entropy ở cấp độ phân tử bằng xác suất. Theo ông, entropy tỷ lệ với logarit của số trạng thái vi mô, tức số cách sắp xếp vị trí và năng lượng của các phân tử mà vẫn cho ra cùng một trạng thái nhìn thấy từ bên ngoài.

Hình dung một chiếc hộp chia đôi chứa vài phân tử khí chuyển động hỗn loạn. Với 4 phân tử, khả năng cả 4 cùng nằm ở nửa trái là 1/16, thỉnh thoảng vẫn xảy ra. Với 100 phân tử, khả năng đó là (1/2) mũ 100, cỡ một phần nghìn tỷ tỷ tỷ, mà một lít không khí chứa cỡ 10^22 phân tử. Trạng thái trộn đều có số cách sắp xếp áp đảo nên hệ gần như chắc chắn trôi về đó. Định luật thứ hai, theo cách nhìn này, là phát biểu về xác suất: không gì cấm các phân tử tự dồn về một góc, chỉ là điều đó hiếm tới mức không bao giờ quan sát được.

Vài ví dụ thật sự của entropy tăng trong nhà:

• Đá tan trong ly nước: nhiệt từ nước ấm truyền vào đá, năng lượng phân tán đều hơn.
• Cà phê nguội dần: nhiệt đi ra không khí cho tới khi hai bên cùng nhiệt độ.
• Mùi nước hoa lan khắp phòng: phân tử hương khuếch tán ra toàn bộ thể tích, nơi chúng có nhiều cách sắp xếp hơn hẳn.

Mộ Ludwig Boltzmann (1844-1906) ở Nghĩa trang Trung tâm Vienna (Áo), trên bia khắc công thức entropy S = k log W của ông

Quảng cáo

Vậy căn phòng có thật sự "tăng entropy"

Căn phòng bừa ra vì một lý do nghe rất giống: chỉ có vài cách để mọi món đồ nằm đúng chỗ, nhưng có vô số cách để chúng nằm lung tung. Tuy vậy, năm 1999, nhà hóa học Frank Lambert viết trên tạp chí

Journal of Chemical Educationrằng coi xáo bài, bàn làm việc lộn xộn hay phòng ký túc xá bừa bộn là ví dụ entropy tăng là sai. Chuyển một cuốn sách từ kệ xuống sàn không làm thay đổi số trạng thái năng lượng vi mô của nó, nên entropy nhiệt động lực học của đồ vật thay đổi bằng không. Đồ vật không tự bừa ra mà phải có người hay gió di chuyển chúng. Entropy thực sự tăng ở tác nhân ấy, chẳng hạn năng lượng trong cơ bắp bị tiêu hao và tỏa ra thành nhiệt.

Điều này cũng cho thấy vì sao dọn phòng không vi phạm định luật thứ hai. Căn phòng không phải hệ cô lập. Khi dọn dẹp, cơ thể đốt năng lượng từ thức ăn và thải nhiệt ra môi trường, làm tổng entropy tăng nhiều hơn phần trật tự thu được. Tủ lạnh cũng vậy: nó tiêu thụ điện và xả nhiệt ra phía sau để làm lạnh bên trong.

Viên đá tan dần ngoài trời. Nhiệt luôn tự truyền từ môi trường ấm vào đá, chưa ai thấy nước tự đông lại trong không khí ấm

Định luật thứ hai cũng là lý do thời gian dường như chỉ trôi một chiều: phim quay cảnh đá tan hay mực loang mà tua ngược, người xem nhận ra ngay. Năm 1865, Clausius còn viết rằng entropy của vũ trụ có xu hướng tiến tới cực đại, dẫn tới giả thuyết "cái chết nhiệt", khi mọi nơi cùng nhiệt độ và không còn chênh lệch nào để sinh công. Còn với căn phòng, cách duy nhất để nó gọn lại vẫn là bỏ công ra dọn.

Nguồn:

Wikipedia

,

Britannica

,

Frank L. Lambert - Journal of Chemical Education (1999)

,

EBSCO Research Starters

,

NASA Glenn Research Center

Quảng cáo