Termodinamika Qanunları və Təkamüllə əlaqəsi

0

Təkamül Biologiyasıyla bağlı bu günə qədər məntiqsizcə irəli sürülən iddialardan biri Termodinamikanın İkinci Qanunun təkamül ilə ziddiyyət təşkil etdiyi və buna görə də təkamülün yanlış olduğudur. Bu məqaləmizdə sizlərlə bu arqumentin səhvlərini incələyəciyik və həyat ilə təkamülün Termodinamikanın İkinci Qanunu ilə nə dərəcədə əlaqəli olduğun izah edəciyik.

Termodinamika elmin çox geniş bir bölməsidir. Fizika və tətbiqi elmlər (əsasən də mühəndislik) daxilində çox dərin öyrənilmiş və geniş istifadə olunan bir mövzudur. Ümumiyyətlə, istilik ötürülməsi  və ya enerji kimi mövzularda çox ciddi əhəmiyyətə malikdirvə elmin əsas qanunlarından ibarətdir. Ancaq bunun xaricində, kainatın genişlənməsi və ümumi olaraq kosmologiya üçün də çox böyük əhəmiyyətə malikdir və geniş şəkildə istifadə edilir.

İnsanlar Termodinamikanın təkamüllə ziddiyyət təşkil etdiyini düşünürlər. Belə düşünməklərinin səbəbi təkamüllə bağlı heç nə bilməməklərindən irəli gəlmir. Əksinə, termodinamika qanunlarını bilməməkdən irəli gəlir. Ona görə də bu mövzunu anlamaq üçün əvvəlcə termodinamika qanunları araşdırılmalıdı.

Termodinamikanın 4 əsas Qanunu.

Sıfırıncı Qanun, Birinci Qanun, İkinci Qanun və Üçüncü Qanun.

Termodinamikanın Sıfırıncı Qanunu

Əsasən bunu söyləyir: Əgər A və B cisimləri termal olaraq tarazlıqdadırsa (aralarında istilik mübadiləsi yoxdursa, yəni istilikləri bərabərdisə) və əgər istiliyini bilmədiyimiz bir C maddəsini əvvəl A’ya, sonra B-yə (və ya tam tərsi) toxundurduqda bu 3 cisim arasında istilik ötürülməsi olmadığı halda C temperaturu A və B ilə eynidir. Əslində, diqqətlə oxunduqda başa düşülməsi asan olan bu qanunu biraz daha açaq:

Məsələn, əlinizdə yuxarıda göstərildiyi kimi 3 dənə kub var: bunlardan A ilə B-ni bir-birinə toxundurursunuz və istilik dəyişikliklərini ölçürsünüz. Əgər heç bir dəyişiklik olmursa, deməli, bu ikisi arasında termal transfer yoxdur. Bu da A ilə B-nin istiliklərinin eyni olduğu mənasına gəlir. Bu zaman üçüncü bir cisim olan C küpünün istiliyini termometrsiz ölçmək üçün bu qanun lazım olur: C-ni əvvəl A-ya və ya B-yə toxundurun və istilik dəyişikliklərinə baxın. Əgər heç bir dəyişiklik yoxdursa, toxundurduğunuz cisimlə C cisimi tarazlıqdadır. Sonra digərinə (məsələn, B-yə) toxundurduqda yenə dəyişiklik olmursa, deməli B və C tarazlıqdadır. Beləliklə, Sıfırıncı Qanun aralarında termal transfer olmayan cisimlərin termal olaraq tarazlıqda olduğunu söyləyir.

Termodinamikanın Birinci Qanunu, özündə- istilik bir enerji formasıdır. Belə ki, bütün digər enerji qənaətləri ilə yanaşı, istilik köçürülməsində də qorunma var. Buna görə sistemə daxil olan istilik enerjisi və sistemdən çıxan istilik enerjisi arasındakı fərq sistemdə qalan istilik enerjisinə bərabər olmalıdır. Başqa sözlə, bir cismin termal balansda olması üçün sistemə daxil olan və çıxan istilik enerjisi bir-birinə bərabər olmalıdır; əks halda balans əldə edilə bilməz. Bu qanuna müxtəlif yollarla baxa bilərsiniz. Məsələn, istilik enerjisi kimi deyil; eyni zamanda sistem tərəfindən həyata keçirilən işləri nəzərdən keçirmək mümkündür.

Bu iki şəkil Termodinamikanın Birinci Qanunu anlamağın asan yoludu. Məsələn, birinci şəkildə bir insanın bədəninə girən enerji miqdarı 5 və çıxan enerji 4 kaloridisə, bədənimizdə depolanan enerji miqdarı 1 kaloriyə bərabər olmalıdı. Bunun daha texniki izahı NASA tərəfindən verilən ikinci şəkildir. Sistemin daxili enerjisindəki dəyişiklik sistemin aldığı enerji ilə sistemin gördüyü iş arasındakı fərqə bərabərdir. Sistemin gördüyü işi sistemdən çıxan enerji olaraq düşünə bilərik.

Təkamüldən anlamayan insanların bura qədər bir problemləri yoxdur, çünki çoxu Termodinamikanın İkinci Qanunu xaricdigər qanunlardan bixəbərdilər. Termodinamikanın İkinci Qanununun təkamüllə ziddiyət təşkil etdiyini söyləyən insanlardan Sıfırıncı və Birinci Qanun haqqında soruşduqda və ya ümumən termodinamikanın nə olduğu barədə sual verdikdə yəqin ki, cavab verə bilməyəcəklər. Çünki məqsəd elmi bir arqumenti inkişaf etdirmək yerinə, təkamülə kor-koranə şəkildə hücum etmək vu bundan qazanc əldə etməkdi. Yenə də sizə digər iki qanunu da izah etməyi özümüzə borc bildik. İndi isə,guya təkamüllə ziddiyət təşkil edən 2-ci qanuna göz ataq:
Termodinamikanın İkinci Qanunu: Nədir və Təkamüllə Əlaqəsi Nədir?

Termodinamikanın İkinci Qanunu bunu deyir: İstilik, heç vaxt daha soyuq və alçaq enerjili bir yerdən,daha isti ya da yüksək enerjili bir yerə axmaz. Yəni enerji xaricdən bir təsir olmadan hər zaman çoxdan aza doğru yerini dəyişər.(bir növ diffuziya kimi düşünün). Verdiyiniz sualı eşidirəm: “Bunun təkamüllə nə əlaqəsi var axı?”

Bu qanunun deyilişi əsasən yuxarıda olduğu kimidir. Ancaq daha sonra eyni mövzunun fərqli ifadələri və şərhləri də inkişaf etmişdir. Bunların başlanğıcı belədir: “Enerji axını az enerji, yüksək enerji mövqeyində ola bilməz”. İndi ,bəlkə də, təkamüllə əlaqələndirdiniz, amma hələ də əlaqəsiz görünə bilər. Başqa bir ifadəyə nəzər salaq. Bunu anlamaq üçün enerji və mövcud “nizam” arasındakı əlaqəni öyrənmək lazımdır. Ümumiyyətlə,xaotik və nataraz sistemlərin enerjisi də azdır. Mütəşəkkil və müntəzəm sistemlərdə isə yüksək enerjidir. Bu vəziyyətdə əvvəlki versiyada müşahidə edirik ki, “Heç bir enerji axını xaotiklikdən sistemliliyə doğru axa bilməz”, “Bütün sistemlər kainatın təbiətinə görə xaotik olmağa məhkumdur” və ya “Konstruktivlik(Sistemlilik) həmişə müntəzəm haldan qeyri-konstruktiv9sistemsizlik) halına keçir”. İfadə forması dəyişdikcə orijinal və orijinaldan daha müstəqil, daha geniş ifadələrə çatırıq. Həmçinin, qanunun mahiyyətindən uzaqlaşdıqca təkamüllə əlaqələr ortaya çıxır. Qısaca iddia budur: “Əgər ki sistemlər hər zaman nizamsızlığa doğru gedirsə, necə olur da təkamül prosesləri nəticəsində nizamsız və daha sadə quruluşlu canlılardan, nizamlı və daha kompleks quruluşlu canlılar meydana gəlir?”Əgər   termodinamika və enerji ilə bağlı doğru düşüncəyə  malik deyilsinizsə, bu zaman arqumentin məntiqi olduğunu düşünməyə başlaya bilərsiniz. İndi isə arqumenti araşdıraq və nə dərəcədə cahilcə olduğunu başa salaq.

İlk olaraq, ikinci qanunun ən dəqiq nümunələrindən birinə baxaq: bir stəkan, üzərinə tətbiq olunacaq kiçik bir qüvvəylə belə bir masadan düşə və min bir parçaya bölünə bilər. Başqa sözlə, müntəzəm olaraq nizamsızlığa gedə bilər, ancaq bir stəkan heç bir zaman kiçik bir qüvvəylə (hətta böyük qüvvəylə belə) yerdə parçalanmış halda dayanarkən masanın üzərinə çıxaraq bir araya gələ bilməz və bütün bir stəkanı meydana gətirə bilməz. Burada entropiya (nizamsızlıq) işə daxil olur. Sistemlər, hər zaman nizamsızlıqlarını, yəni entropiyasını artırmağa meyillidirlər. Yəni nə olursa olsun, müəyyən vaxt ərzində cisimlərin nizamsızlığı artacaqdır və artmağa məhkumdur. Buna görə də ətrafımzda gördüyümüz hər sistem və quruluş, müəyyən vaxtdan sonra maksimum nizamsızlığa məruz qalacaq və dağılacaq.
Termodinamikanın Üçüncü Qanunu da istilik ilə entropiya əlaqəsilə bağlıdır və bunu deyir: Bir sistemin istiliyi, mütləq sıfır temperatura (-273 Santigrad dərəcə və ya 0 Kelvin) yaxınlaşdıqca, sistemdəki bütün əməliyyatlar və proseslər yavaşlayar və sonda dayanar. Bu zaman entropiya sabit bir nöqtəyə çatır və dəyişmir. Bunun səbəbi mütləq sıfır nöqtəsində işləmək üçün tərk edilən daxili enerjinin olmamasıdır.

İndi isə İkinci Qanuna dönək: əgər cisimlərin nizamsızlığı artmağa məhkumdursa, onda necə olur da təkamül ilə daha nizamlı varlıqlar formalaşır? Hətta bir addım önə gedərək sualı belə də verə bilərik: əgər kainafın nizamsızlığı artmağa məcburdusa, necə olur da sistemlər, qalaktikalar, ulduzlar kimi müntəzəm quruluşa sahib formalar mövcuddur? Bax burda işə qanunlarla birgə 2 sistem daxil olur: Qapalı sistemlər və açıq sistemlər.

Qapalı sistemlər, xarici mühitlə kütlə, iş və enerji mübadiləsi etməyən (ya da bəzi vəziyyətlərdə, müəyyən tip mübadiləni həyata keçirən) sistemlərdir. Məsələn, ağzı qapalı ideal qabın içərisi qapalı sistemi təşkil edir. Qab ideal olduğu üçün qaba istilik enerjisi daxil ola bilməz. Ancaq bu da qüsursuz bir qab olmadığı üçün qaba radioaktiv dalğalar keçə bilər. Bu mübadilə sistemə təsir etmir, təsir etsə də, bu indiki məsələmizə aid deyil. Qapalı sistemlər çox zaman enerji və kütlə mübadiləsinin sistemə təsirini araşdırmaq üçün isfifadə olunur. Beləliklə, termodinamik analizlər daxilində qapalı sistemlər, xarici mühiti ilə istilik və iş mübadiləsi edə bilən; ancaq kütlə mübadiləsində iştirak etməyən sistemlərdir.

Açıq sistemlərdə isə xaridən iş, enerji, kütlə girişi və sistem xaricinə iş, enerji və kütlə itkisi olur. Məsələn, Dünya açıq sistemdi. Qalaktika və Günəşdən müntəzəm olaraq enerji və kütlə daxil olur, həmçinin Dünyadan qalaktikaya kütlə (xüsusi ilə də qazlar) və enerji itkisi baş verir. Aşağıdakı düsturlardan açıq və qapalı sistemlərə Termodinamikanın Birinci Qanunun təsirini görə bilərik.

Qapalı sistemlər üçün Termodinamikanın Birinci Qanunu…

Açıq sistemlər üçün Termodinamikanın Birinci Qanunu…

O məşhur sual: Təkamül Termodinamikanın Ikinci Qanunu ilə əlaqəlidirmi?

Bu arqumentin əsası ikinci qanunun bu izahı ilə əlaqəlidir: “Qapalı sistemin entropiyası (nizamsızlığı) heç vaxt azalmır və artmağa məcburdur.” Bunu anlamaq üçün entropiyanı təkcə nizamsızlıq olaraq düşünməməliyik. Çünki enerjidən danışdıqda entropiya bir növ “sərf olunmayan enerji” mənasına gəlir. Yəni sistemlər mövcud olduğu müddətdə sərf olunmayan enerji (entropiyaları) getdikcə artır. İşin məntiqi də burdadı. Necə ki, işlənilən yanacaq zaman keçdikcə tükənir, sistemlərin də enerjisi getdikcə azalır.

Bu arqumentdə nəzərə alınmayan əsas yanlış həyatın qapalı sistem olmadığıdır. Həyat bütün enerjisi ilə açıq sistemdir.  Günəş Sistemində ən böyük enerji qaynağı olan Günəşin varlığı Dünyanın hec bir yerinin qapalı sistem olmadığını göstərir. Bunun ən sadə nümunəsi olaraq bunu göstərə bilərik: bir bitki toxumu içərisində sərf olunan enerji miqdarı, o toxumdan inkişaf edən bitkidəki sərf olunan enerji miqdarına nisbətən çox azdır. Yəni bitki toxumdan inkişaf etdikcə sərf olunan enerji miqdarı da getdikcə artır. Bu zaman pomidorların varlığı Termodinamikanın Ikinci Qanunu ilə ziddiyyət təşkil edirmi? Əlbəttə ki yox. Çünki bir canlı növü açıq sistemdir və ətraf mühitdən enerji alaraq nizamsızlığın artmasına müəyyən vaxt ərzində(keçici) əngəl olur. Ancaq buradakı açar söz müəyyən vaxt ərzində(keçici)dir. Təbiət qanununa görə ətrafımızdakı bütün cisimlər və sistemlər keçicidir. Bunların bəzisinin nizamsızlığını keçici olaraq xaricdən enerji verərək azaltmaq mümkündür. Amma trilyon il keçsə də, kainatın özü ilə birlikdə nizamsızlığa məhkum olacaqlar, hansı ki ikinci qanun da bizə bunu başa salırdı.

Bunu belə də başa sala bilərik: stolun üzərinə düşən stəkanı düşünün. Qırılan stəkanın parçalanmış hissələrinin yenidən birləşərək əvvəlki halına dönməyəcəyini hamımiz bilirik. Çünki bunu bacaran təbii qüvvə yoxdur. Ancaq bir insan lazım olan enerjini stəkan qırıqlarına sərf edərək(yəni iş görərək) əvvəlki halına bənzər formaya sala bilər.Ya da qırıqları əridib, birləşdirib əvvəlki halına sala bilərik və buradakı ən kritik nöqtə stəkanın bu vəziyyətdə qapalı sistem olmaması, xaricdən iş, enerji və kütlə ala bilməsidir. Təbiətə baxsaq, biokimyəvi molekullar üzərində iş görərək müxtəlif cisimlər yaradan sonsuz sayda qüvvələrin olduğunu görərik. Bu eynən insanın iş görərək nizamsızlığı müəyyən müddət ərzində azaltdığı kimi təbiət də varlıqları istədiyi hala sala bilir. Məsələn, qar dənəcikləri, qum təpəcikləri, çökəkliklər, yamaclar, ildırımlar və sairəsi xaotik və nizamsız formaların nizamlı formalara çevrilməsi ilə yaranır.

Burada təkamülün ikinci qanunla uyğunluğunu belə göstərə bilərik: təkamül, heç vaxt birdən-birə böyük dəyişikliklə qarşımıza çıxmaz, belə dəyişikliyin var olmadığını söyləyər. Məsələn, 2 ayaqlı bir canlı birdən-birə 4 ayaqlı canlıya çevrilə bilməz. Bir dinozavr birdən-birə qanad açıb uça bilməz. Təkamül, böyük canlıların içindəki balaca atomlardan ibarət balaca molekullardakı kiçik dəyişikliklərin nəsillər boyu yavaş-yavaş ötürülməsi ilə baş verir. Bu gedişin heç bir yerində böyük bir sıçrayış gözlənilə bilməz. Təkamül, populyasiya içindəki genlərin paylanma nisbətlərindəki dəyşiklikdir. Təkamüldə daha mürəkkəb formaların yaranması şərt deyil. Vacib olan, mövcud variasiyaların mövcud olan mühitlə uyğunlaşması ya da məhv olmasıdır. Beləliklə, uyğunlaşan genlərin də ötürülmə nisbəti artacaq.

Bunlardan əlavə böyük və mürəkkəb bir sistem içindəki local yerlər sistemin özünə nisbətən daha nizamlı ola bilər. Kainatda da bu müşahidə edilsə də bir bütün olaraq sistem nizamsızlığa doğru gedir.

Abiogenezə görə canlını “canlı” edən xüsusiyyət öz nizamsızlığını aktiv olaraq azatlmasıdır. Bunu etməyin tək yolu qidalanmadır və bütün canlılar mühitdən qida və enerji almağa məcburdurlar. Əks halda nizamsızlığa uduzub məhv olacaqlar. Elə buna görə də ölmüş canlıların bədəni çürüməyə məhkumdur. Canlılar əllərində olmadan Termodinamikanın İkinci Qanununa boyun əyirlər, çünki ətraf mühitlərini nizamsız hala gətirərək öz nizamlıqlarını qoruyurlar. Bir aslanın ov etməsi və ovunu parçalaması, bir bakteriyanın ətrafdakı şəkər molekullarını parçalayaraq (nizamsız hala gətirərək) öz nizamını qoruması buna misal ola bilər. Qısası, canlılar yaşamaq üçün ətrafdakı canlılardan istifadə etməyə məcburdurlar. Bu zaman ərzində çoxalaraq özlərini genetik olaraq sonsuz canlı edirlər.

Həyat və təkamül də digər təbiət qanunları kimi termodinamikanın qanunları ilə əlaqəlidir. 1965-ci ildə Jacques Monod demişdir:

Biosferimizin içindəki təkamül zamanda istiqamət seçən, dönməyən prosesdir. Bu zaman istiqaməti, entropiya artma qanunun (Termodinamikanın Ikinci Qanunu) istiqaməti ilə eynidir. Bu adi müqayisədən fərqlidir: ikinci qanun təkamülün dönməzliyi ilə eyni olan qaydalar üzərinə qurulub. Əslində, təkamülün dönməzliyini biosferdəki İkinci Qanunun izahı olaraq anlaya bilərik.

Müəllif: ÇMB, EVRİM AĞACI

Tərcümə: Aysel Hüseynli

Redaktə: Ziya Mehdiyev

Mənbə:

  1. MIT Open Course
  2. National Center for Science Education
  3. TalkOrigins-1
  4. TalkOrigins-2
  5. Biologos
  6. Friends of Darwin
  7. Ask A Mathematician
  8. ScienceBlogs (Dr. Paul Zachary Myers)
  9. George Mason University
  10. Occidental College
  11. Entropy
  12. The Theory of Heat Radiation
  13. Examination of the Foundations of Thermodynamics
  14. Çengel Y.A. and Boles M. (2007). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-125771-3
  15. Leff, Harvey S., and Rex, Andrew F. (eds.) 2003. Maxwell’s Demon 2 : Entropy, classical and quantum information, computing. Bristol UK; Philadelphia PA: Institute of Physics. ISBN 978-0-585-49237-7

 

 

CAVAB YAZ

Zəhmət olmasa şərhinizi daxil edin!
Zəhmət olmasa adınızı buraya daxil edin