Kiertää ja virtaa.

"Jos muistitikulle laittaa jotain tietoa, niin jonkinhan siinä tikussa täytyy muuttua, että se tieto tallentuisi. Siis sähkömagneettisesti tai molekyylien puolesta on jonkin muututtava, muuten siellä ei olisi tietoa, vaan se olisi ennallaan."..."Kun, jos tieto on kopioitu muistitikulle tietokoneelta, ja nimen omaan kopioitu, ei siirretty, niin tietokoneella on edelleen kaikki se tieto, mitä siellä äskenkin oli, mutta muistitikulle on syntynyt jotain uutta - ihan vaa -alla mitattavaa - tyhjästä, niinkö?! Vaikka kaikkeudessa ei voida tiettävästi mitään uutta luoda, eikä entistä hävittää. Niin silti te olette nähtävästi porannut johonkin tyhjän kohdan sillä muistitikullanne!"
(Markus Kajo, "Kettusen Kannettava", "Molekyylit")

Termodynamiikka käsittelee keskitetysti lämpöä. Siihen kuitenkin liittyy mielenkiintoisia asioita.

Sen kehitys alkoi höyrykoneiden myötä: Koneiden toiminnan fysiikkaa haluuttiin ymmärtää. Sillä tosiasiassahan kone ei toimi siksi että se on ihmisen tekemä ja ihminen haluaa jotain, vaan sen takia että kone toimii fysiikan ehtojen mukaan. Tätä kautta termodynamiikan tutkimus liittyi etupäässä höyrykoneen kehittämiseen : Siinä keskityttiin kokeellisiin mittauksiin. Sittemmin myös aineen pienemmät osaset on otettu mukaan huomion kohteeksi. Ehkä tärkein oivallus oli lordi Kelvinin ajatus siitä että lämpä perustuu atomien liikkeeseen: Mitä kovempaa atomit liikkuvat sitä kuumempaa on.

Tältä pohjalta on rakennettu tärkeitä asioita. Kaikki tietävät että ikiliikkujan tekeminen on mahdotonta. Mikään ihmisen kekseliäisyys ei voi kiertää tätä. Syynä tässä on se, että energia säilyy. Sitä ei synny eikä tuhoudu prosessissa.

Toinen tärkeä käsite on entropia. Entropia eli haje tarkoittaa epäjärjestystä. Hieman epäintuitiivisesti tämä epäjärjestys tarkoittaa energian tai materian jakautumista tasaisemmin sille varatussa tilassa. Toisaalta siihen liittyy myös satunnaisuuden ja epätodennäköisyyden kasvamista sekä erojen pienenemistä. Myös järjestys ja informaatio vähenevät.

Tämä tarkoittaa sitä että lämmin kaasu liikuttaa molekyylejä ajan mittaa erittäin tasaisesti jakautuvaksi siihen tilaan missä se on. Riippumatta siitä, missä nurkassa se venttiili on, mistä se on tilaan päästetty. (Toki jos kyseessä on kaksi kaasua, kuten happi ja hiilidioksidi, ne muodostavat kerrokset jossa happi on ylhäällä ja hiilidioksidi alhaalla. Järjestys tätä kautta on eräällä tavalla tilannekohtaista. Jos se olisi pelkkää happea, ei samaa kerrostumista syntyisi.)

Tässä kohden on tärkeää tietää mikä systeemi on. Se on mikä tahansa kokonaisuus joka erottuu muusta maailmasta. Toisaalta se voi olla vain tarkastelua varten valittu rajakin. Systeemejä on erilaisia, ja niistä on osattava seuraavat:
1: Suljettu systeemi ei vaihda ainetta ympäristönsä kanssa.
___1.1: Eristetty systeemi ei vaihda energiaa ympäristönsä kanssa.
___1.2: Eristämätön systeemi, jossa energia kuten lämpö ja työ voivat kulkea rajapinnan läpi.
2: Avoin systeemi taas on sellainen jossa energia, eli lämpö ja työ sekä materia kulkevat systeemiä ympäröivän rajan yli.

Siihen liittyvissä säännöissä sanotaan että eristetty systeemi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa. Tässä voi olla pieniä vaihteluja, mutta pitkässä tähtäimessä tätä lakia ei voi kiertää. Suljetun systeemin entropia kasvaa. Lisäksi sen mukaan lämpöä ei voi muuttaa työksi. Tästä seuraa se, että järjestys suljetussa systeemissä muuttuu ajan pitkää kaaokseksi.

Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että monet koneet tuottavat järjestystä, mutta vaativat toimintaansa esimerkiksi polttoainetta tai muuta energiaa. Se muuttaa systeemin avoimeksi. Koneita on olemassa ja toimivassa vain, koska entropiasääntö koskee vain suljettuja systeemejä.

Tietenkään kaikki avoimet järjestelmät eivät ole ihmisen tekemiä : Tähän liittyen on hyvä ehkä katsella hieman laskelmia. Kun puhutaan kiteytymisestä, ei ole kovin vaikeaa tajuta että siinä atomit ovat järjestäytyneitä, eli kiteytyessä entropia laskee koska järjestys kasvaa. Seuraava käsittelee kuitenkin ruostumista:
"Entropy changes for a reaction can be calculated from tabulated values of standard molar entropies:
ΔS⁰ = ΣS⁰_PRODUCTS - ΣS⁰_REACTANTS.
Consider the rusting of iron:
4Fe_(s) + 3O_2(g) → 2Fe₂O_3(s)
ΔS⁰ = 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. The entropy change for the system and surroundings must be considered."

Toisin sanoen, vaikka usein ihminen arkiajattelussa yhdistääkin ruostumisen epäjärjestykseen ja tuhoutumiseen sekä pitää tätä "itsestään tapahtuvana", spontaanina, asiana onkin ruostuminen itse systeemin entropiaa vähentävä eli järjestystä lisäävä tekijä. Ruostuminen johtuu siitä että rautanaula ei ole suljettu systeemi: Jostain ne happiatomit siihen rautaoksidiin tulee. Se siis vaihtaa energiaa ympäristön kanssa, ja seurauksena syntyy kompleksisempia molekyylejä. Toinen tärkeä tapahtuma on kiteytyminen, jota myös tapahtuu luonnossa "spontaanisti". (Täydellisen kiteen entropia olisi 0.) Kiteytyminenkin tapahtuu, niissäkin kyseessä on avoin systeemi.

Tässä on kuitenkin mukana tärkeä juttu: Esko Valtaojan "Kotona maailmankaikkeudessa" sanoo avoimien järjestelmien järjestyksenkasvusta seuraavasti "Järjestyksen paikallinen kasvu on aina mahdollista, mutta sillä on tarkoin mitattu hintansa, joka ulosmitataan joko työssä tai ajassa." Kone ei tuota jotain määrää tuotetta, ellei tehoja ole tai jos matkaan ei anneta riittävästi aikaa. Mutta jos teho onkin pieni, ja aikaa annetaan riittävästi, urakka onnistuu. Isolla työteholla sama homma saadaan tietysti myös hoidettua. (Tätä kautta sillä on liitoksia myös evoluutioon. Jos puhutaan järjestyksestä jota eliökunnassa on, "miljoonat vuodet" ovat todellakin tärkeä fysikaalinen osa ratkaisua, eikä mikään huijaava piilotuselementti.)

Ongelmat kierretään siten, että järjestäytyvä systeemi tuottaa kaaosta ympäristöönsä. Ruostuva naulakin säteilee hukkalämpöä ja kaaosta ympäristöönsä. Samoin toimivat koneet tuottavat paitsi järjestystä, myös säteilevät entropiaa, kuten hukkalämpöä, ympäristöönsä.

Toki järjestys -sananakin on hieman mutkikas. Sillä entropia "liittyy" informaatioon ja järjestykseen, mutta ne eivät ole aivan sama asia: Esimerkiksi Lambert nostaa esiin sen, miten öljy ja vesi menevät sekoittamisen jälkeen kerroksiin, spontaanisti ja luonnostaan. Niiden sekaisin pitäminen vaatii energiaa. Entropia ei nouse kerrostumisessa, vaan kun ne sekoittuvat. Tätä kautta sitä on arvioitava systeemikohtaisesti. Vesivärin sekoittuminen lasiin tapahtuu "normaalisti", ja sen eristyminen omaksi kerroksekseen olisi ihme, mutta öljyn kanssa sekaisin pysyminen olisi ihme. Toinen tärkeä asia on tietysti se, että esineillä ei ole taipumusta mennä rikki: Tämä on "kitkavirheeseen" verrattava asia. Aikaisemmin oltiin varmoja että voima liikutti esinettä vain lyhyen aikaa ja sitten se pysähtyi. Syy oli tietysti se, että jos esinettä työnsi se liikkui vain vähän aikaa. Nykyfysiikka tietää tietysti että esine liikkuu samalla tahdilla ellei muu voima vaikuta siihen. Siksi esineet rikkoo sama asia, joka ruostuttaa rautanaulan. Se, että niihin törmää energiaa. Esineiden atomien sidosvoimat pitävät esineet kasassa, ellei jokin erityinen voima vaikuta siihen.

Evoluution kautta tästä päästään kuitenkin siihen "varsinaiseen jännään". Biosfääriin, eliökuntaan. Tämä on tärkeä asia ekologiassa. Tämä liittyy niihin tuottajiin, kuluttajiin ja hajottajiin. Koska eliökunta on sidottuja fysiikan lakeihin, niidenkin on toiminnassaan kyettävä toimimaan sääntöjen piirissä.

Vihreitä kasveja kutsutaan tuottajiksi, koska ne ottavat energiaa auringon lämmöstä ja muuttavat tämän avulla biomassaa epäorgaanisista lähtökohdista, kuten elottomasta ilman hiilidioksidista. (6H₂O + 6CO₂ + valo → C₆H₁₂O₆ + 6O₂) Tätä kautta kaikki tuottajat yhdessä ottavat talteen auringon energiaa, ja tätä kautta syntyy bruttoperustuotanto. Kun tästä poistetaan kasvien elintoimintojen vaatima energia - kasveillakin on toimintoja - jää jäljelle nettoperustuotanto. Koska kasvit ottavat tarvitsemansa energian valosta, ne ovat omavaraisia, autotrofeja.

Sitten on kuluttajia. Ne, kuten eläimet, ihmiset, oravat ja kotkat, voivat elää vain syömällä joko kasveja tai muita eläimiä. Ne ovat heterotrofeja. Eliö on siis termodynaamisesti avoin systeemi, koska toisesta päästä menee tavaraa sisään joko hiilidioksidin, kasvin lehden tai piffin muodossa, ja uloskin tulee aika usein jotakin. Ja kun eläin syö kasvin, siinä on myös sitoutuneena energiaa. Sokereissa on jouleja, tietää jopa diettikuurien laihduttajat. (Joku tylsä biokemisti voisi selittää tässä kohden jotain vaikkapa ATP -molekyyleistä ja niiden roolissa energiansiirrossa.)

Hajottajat taas ottavat lisää kasvien energiasta talteen. Yleensä ne myös erittävät jotain, joka ei ole elollista. Eli ne muuttavat ainekset muotoon, jota kasvit voivat käyttää. Prosessissa syntyy vettä, hiilidioksidia ja epäorgaanisia ravinteita. (Raja on jälleen auki.)

On hyvä huomata, että eliökunta voisi periaatteessa olla avoin mutta toimiva pelkillä yksinkertaisilla autotrofeilla. Nykyinenkin toimii kuitenkin siten että se on termodynaamisesti avoin.

Tärkeä sääntö, jonka mukaan aineet kiertävät ja energia virtaa systeemin läpi on siis melko hyvä vertaus. Tosin on muistettava että aineen kierrossa säilytys ei ole aina biosfäärissä. Ja myös energia voi periaatteessa sitoutua ekosysteemiin kymmeniksikin vuosiksi. Mutta se kuitenkin lopulta poistuu siitä lämpönä. Siksi auringon on jatkuvasti paistettava. Sillä vaikka eläin itsessään olisi avoin systeemi, se kuitenkin vaatii kasvin ruuakseen, tai muuten se "avoimuus pienenee jonkin ajan päästä huomattavasti".

---

Tämä oli tavallaan selitys sille, miksi tämä blogiviesti ei riko luonnonlakeja. Se on syntynyt koska jossain on sen tuottamisen jälkeen jossain on enemmän kaaosta. Jossain on informaatioreikä. Onneksi aurinko paistaa.