ENTROPIA

 ver 1.84 
by K.A.T. 21.8.2009


-------------------------------------------------------------------------
Johdantoa

Entropia on vaikea termodynamiikan käsite, jossa on sössitty paljon.
Omaa yhteenvetoani skepsis-foorumin kesän 2009 keskustelusta ja ideoista.
Tässä osassa keskityn lähes täydellisesti epäorgaaniseen aineisiin, niiden 
reaktioihin ja fysikaalisiin tapahtumiin. On turha aloittaa vielä 
monimutkaisempien orgaanisten yhdisteiden ja evoluution käsittelyä, jos
edes simppelien epäorgaanisten luonnonprosessien luonteesta ei ole
selvyyttä.


-------------------------------------------------------------------------
 S I S Ä L L Y S L U E T T E L O


Johdantoa

A. ESITETTYJÄ ENTROPIAN MÄÄRITELMIÄ I

B. MUITA TÄRKEITÄ MÄÄRITELMIÄ II
  B1. Systeemistä
  B2. Ristiriitoja suljetusta systeemistä oppikirjoissakin
  B3. Spontaani ilmiö

C. PERUSSÄÄNTÖJÄ
  Termodynamiikan II pääsääntö
  Muita tärkeitä sääntöjä:

D. SOVELLUTUSRISTIRIITOJA
  D.1. Johdanto
  D.2. Ristiriitaan vieviä esimerkkejä (populistien päänsärkyjä)

E. SOVELTAMISSÄÄNTÖJÄ (NYRKKISÄÄNTÖJÄ)

F. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN LASKUSTA LUONNOSSA

G. JÄRJESTÄYTYMISESIMERKKEJÄ LUONNOSTA

H. ENTROPIA EI OLE EPÄJÄRJESTYSTÄ.
  H.1. Entropian muutos sekoituksissa.
  H.2. Kaasun laajentuminen tyhjiöön 
  H.3. Kaasu- tai nesteastioiden yhdistys
  H.4. Yksiatomiset kaasut
  H.5. Alijäähdytetyn veden kiteytyminen, metastabiili systeemi
  H.6. Superkylläisen liuoksen kiteytyminen
  H.7. Korttipakka "järjestäytyy" itsekseen pöydällä ?
  Yhteenvetoa

I. LOPPULAUSUMA

J. KYSYMYS

LÄHTEET

Liite 1 Ruosteessa entropia on laskenut

 
-------------------------------------------------------------------------



A. ESITETTYJÄ ENTROPIAN MÄÄRITELMIÄ I
=====================================

Entropia on..

A1 -  Tilanvapausasteiden kasvua. S = k*ln(W), missä W on tapojen lukumäärä
      jakaa kokonaisenergia vapausasteiden kesken  (tarkemmin: 
      energiatasojen kesken). Tästä voidaan johtaa myös:

A2 -  dS=dQ/T, suhteellinen entropian muutos, riippumaton tiestä.

A3 -  Se, kun lämpöä ei siirry spontaanisti kylmemmästä lämpimämpään.

A4 -  Energian hajontaa, lämmöksi muuttumista ja hajaantumista.


Entropiaan on sanottu liittyvän myös..

A5 -  Käyttökelpoisen energian määrän vähentymistä.


Entropian on usein populistisemmin kuvattu olevan myös..

A6 -  Epäjärjestyksen kasvua.
A7 -  Hajetta.
A8 -  Käyttökelpoisuuden heikentyminen ihmisen näkökulmasta.
A9 -  Rappion, eroosion, kaaoksen, kuluneisuuden kasvua.
A10-  Huoneen epäjärjestystä, kukkavaasin särkymistä, siltojen ja talojen 
      romahtamista, patterien, akkujen ja kellonjousien loppumista jne.
A11-  Kompleksisuuden vähentymistä ja hajoamista.
A12-  Informaation vähentymistä, tuhoutumista, ihmisen vanhenemista,
      kuolemaa, mutaatioiden lisääntymistä, geneettisen koodin rappiota.

Määritelmät olen järjestänyt niin, että suuremmalla numerolla on yhä 
löysempiä, epämääräisempiä, populistisempia, nyrkkisääntöjä tai
heuristisia vihjeitä, joiden "yli" pienempinumeroinen "kävelee", jos ovat
ristiriidassa. (Esimerkkejä myöhemmin kappaleessa D).


B. MUITA TÄRKEITÄ MÄÄRITELMIÄ II
================================

B1. Systeemistä:
................

B.1a - Systeemi=järjestelmä (Facta, 1970).
B.1b - Systeemi voi koostua eri osista, osasysteemeistä
       (osajärjestelmistä).
B.1c - Systeemi on suljettu, jos se ei vaihda ainetta ympäristön kanssa.
       Suljettu systeemi voi vaihtaa lämpöenergiaa (esim. painesäiliö,
       maapallo).
B.1e - Systeemi on eristetty, jos se ei vaihda ainetta
       eikä energiaa ympäristön kanssa (esim. termospullo).

Täydellisesti eristettyä tai suljettua systeemiä ei oikeasti
reaalimaailmassa ole mutta esimerkit tulevat niitä lähelle oleellisesti. 


B2. Ristiriitoja suljetusta systeemistä oppikirjoissakin 
........................................................
Oppikirjojen ja webbisivujen kesken syntyy pahoja sekaannuksia, kun usein 
kolmijaon: avoin/suljettu/eristetty systeemi, sijasta käytetäänkin vain 
kaksijakoista: avoin/ei-avoin systeemi.

 -suom. wikipedia ym: "maapallo on suljettu systeemi", tarkoittaa että
 maa ei vaihda ainetta ympäristönsä kanssa (oleellisesti)

 -engl. talkorigins.org: "Earth is not closed" (maa ei ole suljettu),
 tarkoittaa, että maa on avoin, vaihtaa energiaa. Joten sen entropia voi 
 laskea.


B3. Spontaani ilmiö
...................
Spontaanilla tarkoitetaan itsenäistä, vapaaehtoista, omalla painollaan 
etenevää, ilman ulkoista pakotusta. Kiven putoaminen vuorelta tai kädestä,
alijäähtyneen veden kiteytyminen ja vetypallon räjähdys ovat spontaaneja 
ilmiöitä. Ilmiön alettua se jatkuu omalla painollaan.
Sen sijaan veden kiehuminen, repun nouseminen vuorelle,raudan
pelkistyminen rautaoksidista tai hapen erottaminen vedestä taas eivät ole
spontaaneja ilmiöitä vaan näiden tapahtumien etenemiseen tarvitaan koko ajan
(ulkoista) työtä.


C. PERUSSÄÄNTÖJÄ 
================

Termodynamiikan II pääsääntö voidaan lausua muodossa:
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
C.1. Eristetyn systeemin entropia ei voi vähetä.
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Muita tärkeitä sääntöjä:

C.2. Suljetun systeemin entropia voi vähetä, jos se luovuttaa energiaa
     ympäristöön.
C.3. Eristetyssä ja suljetussa systeemissä osasysteemin entropia
     voi vähetä toisen osasysteemin entropian kasvun kustannuksella.
     Jos osasysteemiäkin on rajattu, niin:
     - a) Eristetyn osasysteemin entropia voi vain kasvaa tai pysyä samana.
     - b) Suljetun osasysteemin entropia voi vähetä, kasvaa tai pysyä samana.


D. SOVELLUTUSRISTIRIITOJA
==========================

D.1. Johdanto:
...............
Hyvääkin tarkoittavat oppikirjat, populaariteokset, webbisivut,
puhumattakaan nyt pseudoskeptisistä kreationistisista propagandasivuista,
"myyvät" ja opettavat aloittelijoille entropian käsitettä käyttäen arveluttavan 
epämääräisiä määritelmiä A5..A12. Seuraavassa pyrin osoittamaan miksi ne
ovat epämääräisiä, ristiriitaisia ja usein käyttökelvottomia. Erityisesti 
määritelmää A6 ("Epäjärjestyksen kasvua") on käsitelty erikseen omassa 
kappaleessa H.


D.2. Ristiriitaan vieviä esimerkkejä (populistien päänsärkyjä)
................................................................
(Keksinyt MrrKAT)

a) - Föhn-tuuli (kylmä Atlantti lämmittää Oulua) ja jääkaappi
(kylmentyvistä mansikoista lämpöenergiaa huoneeseen) näyttäisivät
rikkovan A3:a,varsinkin jos sitä muistellaan muodossa:"luonnossa lämpöä 
ei koskaan siirry kylmästä lämpimämpään".   Kreationistit, kuten 
Wilder-Smith, ovat selittäneet jääkaapin olevan poikkeus, koska se on
älyllisen suunnittelijan, ihmisen, tekemä, "teleonominen kone".
 Tämmöistä tekijää ja "tarkoituksellista" konetta ei 
kuitenkaan tarvita meteorologiassa.  Sitä esiintyy ulkona luonnossa ilman 
ihmistä ja älyllisen tekijän mekaanista kojetta luonnonprosessina. Niissä 
esiintyy  ulkoinen syy: ulkoinen energiavirta. Kyse ei ole spontaanista 
ilmiöstä.

b) - Avaruuden kylmässä on kaksi kappaletta L ja M. Kappale L kuumenee
jostain kemian tai ydinfysiikan reaktiosta ja entropia kasvaa,  mutta systeemi
rikkoo A5:tta, koska käyttökelpoista energiaa on enemmän käytettävissä M:stä
katsoen. Suurempi lämpötilaero ja suurempi Carnot'n hyötysuhde ! A5 ei siis 
toimi, ei ainakaan näin suoraviivaisesti päätellen.
-BigBangin jälkeen universumin entropia kasvaa koko ajan. Silti kuuma
avaruus jäähtyy koko ajan ja sinne muodostuu jatkuvasti kuumenevia tähtiä, 
joiden energiaerotusta viilenevään avaruuten nähden maapallon elämä ja ihmiset 
käyttävät hyväkseen. A5 ja A8 ristiriidassa A1-A4:n kanssa.
A5 on ihan hyvä sääntö hyvissä käsissä jahka muutettuna muotoon "liittyy 
entropiaan" kuten termospullossa jne mutta populistien käsissä se ei aina 
toimi.

c) - Ruosteessa sen entropia on termodynaamisella matematiikalla
selvästi laskenut lähtöaineiden entropioista laskien. 
Mutta määritelmien A6..A9 mukaan ruostuminen olisi entropian
kasvua. Kuitenkin molekylaarinen kompleksisuus kasvaa alkuaineiden yhtyessä, 
joten A11 mukaan se olisi entropian laskua. Ja entäs jos rauta
"hapettuu" lopultaan hemoblogiiniksi, joka on äärimmäisen 
"hajonneena" kehoon veressä? Onko se hajetta A7:n mukaisesti ja siis
entropian kasvua ? Hemoglobiiniko on myös epäjärjestyksen kasvua, vaikka
alkuaineiden yhtyessä isoksi molekyyliksi kompleksisuus kasvaa ?

d) - Vuori rapautuu ja rappeutuu ja tasoittuu eroosiolla. Jos se on
entropian kasvua, niin miksi A1:n vapausasteiden määrä ei kasva vaan 
vähenee (rae ei voi enää myöhemmin "valita" putoamispuolta ja -paikkaa), miksi
"kaunis" järjestys kasvaa (maasta tulee täydellisempi pallo ajan myötä) 
vastoin kohtia A6 ja A7 ?

e) - Raudan tai kuparin tai sinkin hapettuessa systeemin entropia laskee
tai nousee riippuen lähtöaineiden alkutilasta (jos yhtyy kaasuun niin
entropia laskee). Jos syntynyt hapetustuote on käyttökelvotonta jätettä
yhteiskunnassa A, mutta yhteiskunnassa B siitä tulee tärkeä ja arvokas 
väriaine, lannoite tai lääkepilleri, niin A8:n näkökulmasta olisi hassu 
tilanne: Saman kemiallisen reaktioyhtälön entropian suunta, ja siis 
luonnonlaki, riippuisikin kustakin kulttuurista ja aikakaudesta. 
Näin ei voi tietenkään olla. A8 on siis kelvoton määritelmä.

f) - Korkeassa varastohuoneessa matalalla lampun kannassa riippuu
teräskuulia sikin sokin sisältävä hauras pussi, jossa on  lempeä hidas
räjähdepanos. Valonkatkaisimen kääntö sytyttää pommin, ja kuulat lentelevät
ympäri huonetta. 
Koska hyllyt ovat vinossa kaikissa suunnissa ja myös lattia on vino 
maanjäristyksen jäljiltä, niin kuulat vierivät hyllyjen reunoille seinää 
vasten ja lattialla toista seinää vasten siistiksi riveiksi järjestykseen, 
myös hyllylle joka on pussia ylempänä. Entropian piti  kuitenkin kasvaa 
räjähdyksessä. Silti nyt vastoin A6:tä kuulien järjestys on kasvanut,
vastoin A8:ää ihmiselle käyttökelpoisuus (hyllylle järjestetty) on kasvanut,
ja vastoin A5 osalla kuulista on nyt enemmän käyttökelpoista
potentiaalienergiaa kuin alussa. A10:n mukaan
huoneessä piti tulla epäjärjestys entropiaa lisäävän kaaoksellisen 
maanjäristyksen ja räjähdyksen jäljiltä. Jos räjähde oli kuulapussin 
alaosassa niin enemmän kuulia voi lentää ylähyllylle järjestykseen. 
-Samantapainen tilanne on  myös kaoottisen meren ja järven rannalla  tai 
hiidenkirnussa olevien kivien järjestyksen kasvussa pitkän ajan kuluessa: 
keskinäinen järjestys  kasvaa, yksittäisten kivien pinnan säännöllisyys, 
pyöreys, kauneus ja käyttökelpoisuus pihakivenä kasvaa. 
 Tämä osoittaa, miksi A6..A10 ovat kelvottomia tulevan makrofysikaalisen
tilan järjestyksen ennakoinnissa.

g) - Kun kovalevyllä tai DNA:ssa koodi AAAAA'AAAAA kohtaa häiriöitä, 
"mutaatioita" (ks. A12), niin meillä erilaisia kooodeja ABCAA'BCDAB ja 
BABAA'ABAAA jne. Jo yksinkertainen empiirinen koe: pkzip-pakkaus tai 
jpg-esimerkki, osoittavat että mutaatiot/häiriöt/kohinat lisäävät pakatun 
tiedoston kokoa ja kompleksisuutta(moninaisuutta). Informaatio kasvaa 
(Kolmogorovin mitan mielessä). Tämä rikkoo kohtaa A11. Yleensäkin: mitä 
epäjärjestäytyneempi, kaoottisempi rakenne on, sitä enemmän informaatiota
sen kuvaamiseen ja siirtämiseen vaaditaan. 
(A11 on siis vastoin A12, ks tietosanakirja Facta, 1970). 
A11 ja A12 eivät siis ristiriitaisina voi missään nimessä olla oikea 
kuvaus entropiasta. Ja toisinpäin: samaan hengenvetoon ei voi termodynamiikan
lakeihin nojautuen väittää sekä informaation että kompleksisuuden kasvun 
olevan mahdotonta luonnossa.

h) - Makrofysikaalisten kappaleiden haje A7, kuten hiekkakasan muuttuminen 
tuulessa pölypilveksi tai liukenemattoman värijauheen levitys iholle tai 
pienen pölypilven hajoaminen avaruudessa valovuosien laajuiseksi ovat 
entropian silmissä olemattoman vähäisiä muutoksia verrattuna kaasuun,
koska yksittäiset atomit ovat edelleen sidottuina aineiden kiteisiin, 
jotka ovat atomien silmissä hyvin suuria, joten pinnan "reagoivien" 
atomien määrä on vähäinen. Kappaleiden väliset voimat ovat vähäiset. 
Enemmän entropiaan vaikuttaa kemia ja lämpötilamuutos kuin fysikaalinen 
jakauma tilassa ja avaruudessa.
 
Nämä esimerkit jo osoittavat miksi populistiset heuristiset A5-A12 säännöt 
ovat kyseenalaisia ja monimielisiä juurrutettavaksi tiukasti
kiveenhakattuina sääntöinä aloittelijan mieleen. Makromaailman 
järjestys ja kauneus, rappio jne eivät ole eksaktisti määriteltyjä 
eikä termodynamiikka niihin oikeastaan edes pure.

USA:ssa oppikirjoista onkin jo alettu vetää mm. epäjärjestykseen
(disorder) viittavia entropian määritelmiä pois
harhaanjohtavina.(ks. secondlaw.oxy.edu ja  kappale H alempana).
 

E. SOVELTAMISSÄÄNTÖJÄ (NYRKKISÄÄNTÖJÄ)
======================================

Fysikaalisen kemian muutamia simppeleitä nyrkkisääntöjä:

E.1. Kappaleen lämpötilan laskiessa sen entropia laskee (dS=dQ/T<0).
E.2. Nesteen jäätyessä sen entropia laskee. (Esim. lampi jäätyy syksyllä)
E.3. Liuoksesta kiteytyvän kappaleen entropia laskee. (Esim. suolajärvet).
E.4. Kaasun nesteytyessä tai härmistyessä kiinteäksi sen entropia laskee.
     (Esim. kuuran synty puihin ja lumisade).


F. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN LASKUSTA LUONNOSSA
===========================================
(Keksinyt pääosin MrrKAT)

F.1. Raudan hapettuessa (ruostuessa) systeemin entropia laskee.(Liite 1). 
  Rautamoolilla entropia nousee, happimoolilla laskee voimakkaasti, 
  ruosteen (Fe2O3) entropian muutos on -549 Joule/Kelvin/mooli,
  jossa kaasumaiset happi (ja vesi) kiteytyvät (voimakas entropian lasku),
  mutta säteilee lämpöenergiaa voimakkaasti ympäristöön (ks. C.2).
  (Samalla kompleksisuus kasvaa, syntyy 5-,7-, jopa 8 -atomisia
  kompleksisia molekyylejä, kuten Fe2O3 · H2O).

F.2. Planeetan tai tähden jäähtyessä sen entropia laskee. Jos planeetta on
  meren peittämä vesiplaneetta, niin jäähtyessään jäätymispisteeseen sen 
  lämpötila T vakioituu hyvin pitkäksi aikaa, silti jäätyminen etenee ja 
  entropia laskee.

F.3. Jääkaudella, talvella ja yöpuolella planeetalla lämpötila laskee,
  joten todennäköisesti myös entropia tällöin laskee muutenkin 
  kuin vain syksyn jäätyvässä vesilammikossa.

F.4. Merivirrassa veden siirtyessä kylmempiin vesiin ja lähelle napoja
  entropia laskee. Samoin käy ilmavirtauksissa.

F.5. Suolaa kiteytyy suolajärvissä jne. Entropian laskua auringon lämmön
  alla.

F.6. Suolaa kiteytyy kaliumkloridi-liuoksesta (KCl+H2O) liuoksen
  jäähtyessä.

F.7. Makeampaa vettä erottuu (lähes vakiolämpötilassa) suolaisesta     
  vesiliuoksesta (merijäästä).

F.8. Hygroskooppiset aineet kalsiumkloridi CaCl2 ja rikkihappo H2SO4
  imevät vesihöyryä ilmasta. (Todennäköisesti entropia näissä laskee 
  mutta en ole tarkistanut. Entropian suunta voi riippua ilmankosteudesta).   

F.9. Afrikan Natron-järvissä lipeä NaOH ihmee ilmasta hiilidioksidia CO2
  ja muodostaa natriumkarbonaattia Na2CO3, johon vesi yhtyy hydraattina.
  Näin yhdestä kaksiatomisesta ja kahdesta kolmiatomisesta molekyylistä
  syntyy kompleksinen 36-atominen kiderakenne Na2CO3*10H20.

F.10. Argentiinasta on löytynyt "sooda-alunan", natriumaluminiumsulfaatin,
  mineraali, nimeltä mendozite.  Natriumalumiinisulfaatin hydraatin
  molekyylikaava on Na2SO4*Al2(SO4)3*24H2O, jossa on 96 atomia.
  Sitä voi tehdä myös laboratoriossa liuottamalla veteen yhtä suuret määrä
  natriumsulfaattia ja alumiinisulfaattia ja kiteyttämällä
  sen. Kaliumaluna vastaavalla tavalla.



G. JÄRJESTÄYTYMISESIMERKKEJÄ LUONNOSTA
======================================

G.1. Aineita erottuu kiteytyen Afrikan suolajärvissä, valtamerissä
  isotooppeja erottuu, ukkospilvissä ioneja erottuu, meren ja järven
  rannoilla kivet järjestäytyvät aaltojen energialla koon mukaan.

G.2. Avaruuden tähtipilvissä syntyy monimutkaisia molekyylejä, tähdissä
  syntyy uusia alkuaineita (ytimien protoni- ja neutronikompleksisuus
  kasvaa),
  elottomassa luonnossa kasvaa jopa 96-atomisia molekyylejä (aluna).
  

H. ENTROPIA EI OLE EPÄJÄRJESTYSTÄ.
==================================

Määritelmän A6 heikkouksista tässä tarkemmin  Frank J. Lambertin ja Gordon 
Davissonin esimerkkien pohjalta.

Linkissä.. 

http://www.entropysite.com/cracked_crutch.html

..on kuuluisa Emeritusprofessori Frank L. Lambertin vuoden 2002 artikkeli 
Journal of Chemical Education lehdessä, joka auttoi hylkäämään USA:n
kemian oppikirjoista entropian opetuksesta sanan "disorder" eli epäjärjestys.

Kuusi esimerkkiä siitä varsin vapaasti suomennettuna:


H.1. Entropian muutos sekoituksissa.

a) Vettä ja säännöttömiä jääpalasia on lasimaljassa. Jää sulaa ja systeemi 
menee kohti järjestystä, koska lopulta syntyy homogeeninen läpinäkyvä
neste. Silti entropia kasvaa.
b) Vettä ja öljyä ravistetaan voimakkaasti ja jätetään astia sillensä,
tämä metastabiili sekoitus järjestäytyy  itsekseen kahdeksi "järjestyneeksi" 
kerrokseksi. Spontaania järjestyksen syntymistä. Entropian laskua se ei
voi olla.


H.2. Kaasun laajentuminen tyhjiöön.

Kaksi astiaa, toisessa ideaalikaasua, toisessa tyhjiö,
yhdistetään. Entropia kasvaa. (MrKAT: Jos 1 mooli ideaalikaasua laajenee 
27C:ssä isotermisesti kaksinkertaiseksi, niin kaasu tekee työtä 1728 J ja 
entropia kasvaa +5,76 J/K). Mutta miten järjestys muka vähenee tai muuttuu, 
kun kerta molekyylien nopeus pysyy samana ? Lambert vertasi: Jos
poliisiosasto lähtee toimistosta ja tehtävää varten hajaantuu edeten
jalkaisin läpi kaupungin, niin vähentyykö järjestys ?


H.3. Kaasu- tai nesteastioiden yhdistys

Yhdistetään kaksi astiaa (MrKAT:lämpötilat ja kaasut samat), poistetaan
seinä välistä. Entropia ei muutu, dS=0. 
Entä epäjärjestys? Jos molekyylit merkittäisiin ja koitettaisiin poimia 
sokkona takaisin, niin on epätodennäköistä, että saisit
samat. Epäjärjestys näyttäisi kasvaneen ?


H.4. Yksiatomiset kaasut 

Heliumiatomit kevyinä liikkuvat vilkkaammin kuin raskaat hitaat
kryptonatomit. Aloittelija olettaisi, että heliumilla on suurempi entropia.
Kuitenkin heliumilla on standardi-tilan-entropia 126 J/K mol, mutta kryptonilla
SUUREMPI 164 J/K mol. Näin koska kryptonilla energiatasot lähempänä toisiaan ja
mikrotiloissa enempi valinnanvaraa ( more mictostates of dispersing
energy).


H.5. Alijäähdytetyn veden kiteytyminen, metastabiili systeemi

Alijäähdytettyä vettä astiassa, lämpötila pakkasen puolella ja silti pysyy 
nestemäisessä tilassa. Pieni pölyhiukkanen tai kide pudotetaan tai leijuu 
pinnalle ja - hups - välittömästi osa nesteestä kiteytyy.
Eli äkkiä järjestynyttä kiinteää jäätä on spontaanisti muodostunut 
epäjärjestyneestä nesteestä. Neste lämpiää kunnes lämpötila T=0 C.
( "When a seed of ice or a speck of dust is added, crystallization of
some of the liquid is immediate. Orderly solid ice has spontaneously
formed from the disorderly liquid.", Lambert) 

Kun on perinteisesti opetettu, että neste on "epäjärjestettyä" suhteessa 
jäähän, niin nyt yllättäen "epäjärjestyksestä syntyy 
järjestystä" spontaanisti ja opiskelija hämmentyy, koska uskovat, että 
spontaaneissa prosesseissa syntyy aina enemmän epäjärjestystä kuin järjestystä.
 Tämä voi tapahtua suljetussa eristetyssä systeemissäkin, joten epäjärjestys
ei missään nimessä voi olla entropian synonyymi.


H.6. Superkylläisen liuoksen kiteytyminen

Monissa kirjoissa kiteen liukeneminen veteen kuvataan epäjärjestyksen
kasvuna piirroksissa ja sen sanotaan kuvaavan entropian kasvua.
Natriumsulfaattia (Na2SO4, Glauberin suola, ekotalojen
lämmönvarastointisuola) on liuotettu veteen ylikylläiseksi liuokseksi. 
Täristetään astiaa tai pudotetaan natriumsulfaattikide. "Epäjärjestyneen 
liuoksen" astia tulee yllättäen spontaanisti täyteen "järjestyneitä" kiteitä.
Ja kaiken lisäksi astia VIILENEE. Epäjärjestys ei ole vain spontaanisti 
muuttunut järjestykseksi vaan se on vieläpä ottanut lämpöenergiaa 
ympäristöstään, joten "epäjärjestyksellä opetettu" opiskelijaparka on t
upla- ellei peräti triplahämmentynyt.
(" Disorder has not only spontaneously changed to order but the change
was so favored energetically that thermal energy was taken from the 
surroundings.", Lambert)

Tämän lisäksi talk.origins -keskusteluryhmässä v. 2001 Gordon Davisson 
http://www.talkorigins.org/origins/postmonth/aug01.html
toi esiin korttipakan järjestys-esimerkin, jonka olen vapaasti sovittanut:


H.7. Korttipakka "järjestäytyy" itsekseen pöydällä ?

Järjestyksessä oleva 52 kortin korttipakka sekoitetaan kädessä. 
Entropian muutos täälle on määritelmä A1:tä käyttäen laskettavissa näin:
dS1 = k*ln(52!) = +2.16 E-21 J/K = +0,000 000 000 000 000 000 00216 J/K.
Toisaalta korttipakka lämpeni kädessä, sanotaan 4
astetta. Lämpökapasiteetti on jotain 84 Joulea/Kelvin korttipakalle. 
T=300K. Näin määritelmällä A2 saadaan tämän entropian muutokseksi 
dS2 = dQ/T = n. +1 J/K. Korttipakan kokonaisentropian muutos on 
dS = dS1+dS2 = 2.16E-21+1 J/K = +1 J/K. Entropia 
nousee. Kun sekoitettu korttipakka lasketaan kylmälle pöydälle, niin 
jäähtyminen 4 astetta muuttaa taas entropiaa määrällä dS3 = dQ/T = n. -1
J/K. (ks. myös soveltamissääntö E.1.) Korttipakan kokonaisentropian muutos
on siis 
dS = dS1+dS2 = 0,0000... - 1 J/K = n. -1 J/K. 
Korttipakan entropia siis oleellisti laskee pöydällä ! 
Näin siis sekoitettu korttipakka järjestäytyi ihan itse spontaanisti
pöydällä jos entropia hyväksytään epäjärjestyksen ja järjestäytyminen entropian
laskun synonyymiksi ! Populistinen määritelmä A6 johtaa 1000 
triljoonakertaisesti harhaan. Eikä populistinen viittaus 
esim. informaatioon, A12:een, auta asiaa.


Yhteenvetona:

Näin on osoitettu, että makromaailmasta tutut havainnolliset ja
intuitiiviset käsitteet "järjestys" ja "epäjärjestys" ovat epäluotettavia ja
epätäsmällisiä ja harhaanjohtavia kuvaamaan aitoa entropianmuutosta ja
spontaanien prosessien suuntaa, joka tapahtuu atomitasolla ja silmille
näkymättöminä energiamuutoksina. Onneton populistinen opetus, että 
"Entropia on epäjärjestystä" on oppikirjoissa olevaa historiallista painolastia
1890-luvulta. Se toimisi, jos puhuttaisiin pelkästään atomeista ja
energiasta. Mutta se sekaantuu makromaailman löysiin kuvauksiin. Makromaailman 
epäjärjestykselle ei ole varsinaisia luonnonlakeja.


I. LOPPULAUSUMA:
================
Kuten Kemian emeritusprofessori Lambert sen sanoo:

Entropia ei ole epäjärjestystä. Entropia on energian hajaantumista.
Esineillä ei ole mitään sisäistä tendenssiä tai taipumusta hajota ! 
Kemialliset ym sidokset (kemiallisen aktivaatioenergian korkeus) pitää
niitä kasassa. Ne ovat ja pysyvät sellaisinaan ellei mikään ulkoinen voima
pakota siihen. Energiavirta on se, joka saa makromaailman kohteen
"epäjärjestykseen", ja se tulee (yleensä) ulkoapäin.


J. KYSYMYS:
===========
Kun on näin osoitettu, että makrofysikaalisen järjestyksen ja kemiallisen 
kompleksisuuden kasvua tapahtuu koko ajan avaruudessa, tähdissä, ja 
maapallolla suolajärvissä, meren rannoilla ja luolissa (jättikiteet) ja 
entropia laskee hapettumis- ja jäähtymis- ja kiteytymisilmiöiden
seurauksena ja tehnyt sitä jopa miljoonia vuosia, niin miten termodynamiikan
säännöt  voisivat estää biologisen järjestyksen kasvun ja entropian tietyt
muutokset tässä ei-eristetyssä systeemissä nimeltä maapallo ?


LÄHTEITÄ:
=========
[1] FACTA-tietosanakirja 1970, osa 4, ISM-KIV, "Järjestys"
[2] FACTA-tietosanakirja 1970, osa 9, SUO-TYY, "Termodynamiikka"
[3] PhD Frank L. Lambertin webbisivut http://2ndlaw.oxy.edu/index.html
    (ent.www.2ndlaw.com) ja tiedejulkaisuja
[4] www.talkorigins.org/indexcc/list.html
[5] www.talkorigins.org/faqs/thermo.html
[6] Valtaoja, Esko: Kotona maailmankaikkeudessa, Ursa, 2001
[7] en.wikipedia "Enthropy"
[8] fi.wikipedia "Entropia"
[9] OY:n opetusmoniste Lämpöoppi
[10] Kivinen-Mäkitie, KEMIA, Otava, 1988
[11] Karamäki,E.M.: Epäorgaaniset kemikaalit, Tietoteos, Espoo 1983


-----------------------------------------------------------------

Liite 1. Raudan ruostumisreaktion (hapettumisen) entropian muutoksista

Ruostumisessa rauta Fe hapettuu sen yhtyessä ilmakehässä kaasumaisena
olevaan happeen O2. Läsnä yleensä pitää olla vesihöyryä H20, 
joka sekin on yleensä kaasumaisessa olomuodossa.

Eräällä webbisivulla yksinkertaistettuna reaktiona:
[--------------------------------------------------
"Consider the rusting of iron:

4Fe(s) + 3O2(g) -> 2Fe2O3(s)

dSo = 2(87.4) - [ 4(27.3) + 3(205) ] = -549.4 J K-1 mol-1

Here there is a large decrease in entropy of the system - a gaseous
reactant has been consumed. Rusting is a spontaneous process, 
but the entropy of the system has decreased."
-------------------------------------------------]
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/launchpad/5226/sys/entropy.html

--> entropia laskee 594 Joule per kelvin per mooli raudan hapettuessa 
(ruostuessa).

--> Ympäristön entropian kasvu on kuitenkin +5530.2 J K-1 mol-1 (raudan 
ruostuessa muodostuu runsaasti lämpöä joka säteilee tai johtuu
ympäristöön) joten kaikkiaan universumissa entropia nousee. (Ja niin on myös
biologisten olentojen kanssa. Tähtiä yöllä katsoessasi DNAt osallistuvat 
avaruuden lämmittämiseen, kehosi säteilee entropiaa pois avaruuteen kuten tuo
ruosteinen naula).

Raudan ruoste vielä tyypillisesti hydratoituu veden kanssa,
Fe2O3*H2O jne, jolloin molekyylissä on jopa 8 atomia. 
Siten ruostumisessa kompleksisuus kasvaa. 

Meillä on nyt 3+1 argumenttia miksi ruosteella entropia on alentunut
lähtöaineisiinsa verraten:
-yllä oleva termodynaaminen lasku (vaikkakin yksinkertaistettuna)
-auktoriteetti termodynamiikan prof. Paul J. Gans talk.origins-foorumilla
-luonnontieteellinen järki: kaasun tiivistyminen ruostekiteeksi on valtava 
entropialaskusuunta, joka dominoi jättäen muut entropiamuutokset varjoonsa. 

Myös populistisemmin:
-molekyylien kasvu, kompleksisuuden(monimutkaisuuden) lisäys, kaasun
"järjestäytyminen" kiteeksi..

-----------------------------------------------------------------------
Kirjoitus ja kuvat © Mr. Kari A. Tikkanen 21.8.2009. 
Päivitetty 21.8.2009 versioon 1.84 klo 18.40, mm. F10:ssa ollut
virheellisen sekava teksti korjattu.