.
Entropiakäsite ja entropian lisääntymislaki syntyi 1800 luvulla höyrykoneiden kehittämisen yhteydessä. Energian muutoksia tutkittiin energiamääriä mittaamalla. Mittauksissa havaittiin, että suuri osa laitteeseen tuodusta lämpöenergiasta meni hukkaan, eikä sitä saatu muutetuksi mekaaniseksi työksi.
Teoreettisilla tutkimuksilla ja kokeilla selvitettiin, että lämpö on aineen pienimpien rakenneosien sekaista liikettä, eikä sitä saada kokonaan otetuksi hyödyksi.
Käyttöön otettiin uusi suure - entropia - jonka avulla energian muutokset
pystyttiin kuvaamaan yksinkertaisilla matemaattisilla kaavoilla.
Epäjärjestys pyrkii lisääntymään kaikkialla luonnossa ja arkielämässä. Niinpä entropiakäsite otettiin käyttöön myös lämpöopin ulkopuolella, ja entropian lisääntymisestä tehtiin universaali luonnonlaki.
Lämpövoimakoneitten tutkimisessa havaitut entropiaa koskevat säännöt laajennettiin yleiseksi entropiasäännöstöksi ilman, että niitä olisi arvioitu kriittisesti. Esimerkiksi väitetään, että entropian pienentäminen vaatii aina systeemiin tehtävää työtä. Tämä pitää paikkansa kiertoprosesseihin perustuvissa lämpövoimakoneissa, mutta ei kaikkialla.
Epäjärjestyksen eli entropian lisääntymistä selitetään todennäköisyyslaskennan avulla. Epäjärjestyksen tiloja on enemmän kuin järjestyksen tiloja, ja suurten lukujen lain mukaan suuret tapahtumamäärät johtavat epäjärjestyksen kasvuun. Tämä pitää paikkansa vain, jos ilmiöitä ei ohjaa muu kuin sattuma. Esimeriksi kitkattomalle pöydälle sikin sokin heitetyt tulitikut voidaan kääntää yhdensuuntaisiksi ilman työtä.
Entropian lisääntymislaki
pätee ohjaamattomiin spontaaneihin systeemeihin. Lämpöenergia on aineen pienimpien
osasten liike-, värähtely- ja pyörimisenergiaa. Niin kauan kuin molekyylien
liike on sekoittunutta, se on entropialain alaista.
Lämpöenergiaa muutetaan nykyisin mekaaniseksi energiaksi
lämpövoimakoneilla. Niissä työkaasuun tuotava lämpöenergia siirtyy kaasuatomien
sekoittuneeksi liikkeeksi. Sitä muutetaan mekaaniseksi energiaksi
kiertoprosesseilla, joissa kaasu siirtyy syklisesti tilasta toiseen palaten
alkutilaansa. Kiertoprosesseissa entropia ei pienene. Tällaisen prosessin
korkein mahdollinen hyötysuhde tunnetaan nimellä Carnot'n hyötysuhde. Sen
suuruus riippuu tuodun ja poistetun lämpöeergian lämpötiloista.
Tarkastellaan seuraavaksi kiinteän aineen kuuman sileän pinnan ja harvan yksiatomisen kaasun atomin välistä törmäystä.
Yksiatomisessa kaasussa lämpöenergia on atomien liike-energiaa. Kiinteässä aineessa lämpöenergia on partikkelien värähtelyä tasapainoasemansa ympärillä. Kiteessä vierekkäisten partikkelien värähtelyt eivät ole toisistaan riippumattomia, vaan värähtely tapahtuu aaltoina, joita kutsutaan fononeiksi.
Kiinteän aineen ja kaasun rajapinnassa pinnan molekyylin ja kaasun molekyylin välillä tapahtuvassa kimmoisessa työnnössä liikemäärän siirtymistä tapahtuu vain pinnan normaalin suunnassa.
Poiminta The Journal of Chemical Physics, January 2000 -julkaisussa olevasta artikkelista "Scattering of xenon from Ni(111): Collision-induced corrugation and energy transfer dynamics", kirjoittajat Mark Ellison Ursinus College, Carl M. Matthews ja Richard Zare Stanford University: "Only momentum along the direction normal to the surface is exchanged with the surface."
Artikkeli on luettavissa internetissä osoitteessa:
https://www.researchgate.net/figure/Ratio-of-scattered-atom-kinetic-energy-to-initial-energy-for-026-eV-Xe-from-a-clean-Ni_fig7_234928107
Alla olevissa kuvissa 1 ja 2 on esitetty kaasuatomin kulku kiinteän aineen pinnan kanssa tapahtuvan törmäyksen yhteydessä.
.
Pinnan läheisyydessä olevan vuorovaikutusvoiman tasapotentiaalipinnat eivät ole tasoja vaan muhkuraisia pintamolekyylien mukaisesti. Heijastuneen atomin suuntaan liittyy hajontaa. Tuleva atomi "näkee" muhkuroiden tulosuuntaiset pinnat laajemmin kuin vastakkaisella puolella olevat pinnat. Kohtauspisteen tangenttitason normaali on useimmissa törmäyksissä kallistunut hieman tulosuuntaan päin, ja heijastuneen atomin rata kääntyy pinnan tason normaalia kohti, vaikka tuleva atomi olisi termisessä tasapainossa pinnan kanssa.
Vuorovaikutusvoiman tasapotentiaalipinnat ovat sitä muhkuraisempia mitä lähempänä ne ovat pinnan molekyylejä. Tätä pidetään yhtenä syynä siihen, että suurienergiset kaasuatomit, jotka käyvät kääntymässä lähempänä pinnan molekyylejä, siroavat enemmän kuin pienienergiset, jotka kääntyvät kauempana pinnan molekyyleistä. Toisena syynä suurienergisten atomien suurempaan hajontaan esitetään sitä, että ne pintaan törmätessään siirtävät pinnan molekyylejä ja suurentavat niiden välistä rakoa.
Kuvan 3 kuvaajista käy ilmi, että jos atomit tulevat kuumaan pintaan eri kulmassa, niin energian lisäys aiheuttaa loivemmin tulevalle atomille suuremman suunnan muutoksen kuin jyrkemmin tulevalle. Kuva. 3 osoittaa myös sen, että hitaamman tulonopeuden omaavat atomit saavat suuremman nopeuden lisäyksen kuin nopeammat atomit.
Seuraavassa kuvassa on kokeellisesti (a) ja teoreettisesti (b) saadut tulokset kuumasta platinan (Pt) pinnasta heijastuneiden argon (Ar) atomien lähtösuuntien jakautumisesta. (Mustat nuolet ja niiden selitykset ovat omia lisäyksiäni.)
Kuvio 7B todistaa selvästi kuvissa 1 ja 2 esitetyt ilmiöt. Kuvioon on piirretty punaisella kaarella tulonopeuden itseisarvo ja sinisellä nuolella peiliheijastuneen, energiaa vaihtamattoman atomin nopeusvektori.
Kuvissa 6 ja 7 esitetyssä kokeessa atomit tulevat pintaan likimain samalla nopeudella. Pinnan lämpötila on suurempi kuin atomien pinnan normaalin suuntaisen nopeuden liike-energiaa vastaava lämpötila. Yksityisen atomin käyttäytyminen riippuu pinnan liiketilasta törmäyspisteessä osumahetkellä. Suurin osa atomeista saa pinnalta energiaa, jolloin niiden nopeuden pinnan normaalin suuntainen komponentti kasvaa. Pieni osa luovuttaa energiaa pinnalle, jolloin niiden nopeuden pinnan normaalin suuntainen komponentti pienenee.
Pinnan yhteydessä olevan potentiaalikentän tasapotentiaalipinnat ovat hieman muhkuraisia. Atomit tulevat pintaan viistossa kulmassa. Osa atomeista kohtaa muhkuroiden laen, osa tulosuunnan puoleisen viiston reunan. Tämän johdosta heijastuneiden atomien pinnan suuntaisten nopeuskomponenttien keskiarvot ovat pienentyneet, ja suunnat kääntyneet vielä enemmän normaaliin päin. Tämä näkyy selvästi kuviossa 7B lähellä normaalia olevissa lähtösuunnissa.
Pinnan suuntaisella kaasuatomin nopeuskomponentilla ei ole vaikutusta pinnan ja atomin väliseen energian siirtoon.
Yllä olevissa kuvissa 3, 4, 6 ja 7 olevissa koetuloksissa on kiistaton todistus siitä, että kiinteän aineen sileä pinta lisää kaasuatomien liikemäärää ja siten myös atomien kantamaa liike-energiaa samaan suuntaan. Koetulokset on selitetty kiinteän aineen pinnan ja kaasuatomin välisen vuorovaikutuksen avulla.
Kiteessä oleva lämpöenergia muuttuu harvan kaasun atomien yhdensuuntaiseksi liikemääräksi. Tämä tarkoittaa entropian pienenemistä. Kun atomien liike-energia muutetaan roottorin liike-energiaksi ennen kuin atomien suunnat sekoittuvat, ei Carnot'n hyötysuhde ole hyötysuhteen yläraja.
Syomalaisessa patenttihakemuksessa nro 20197081 on kuvattu laite, joka muuttaa lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi vakiotilavuuden omaavassa kaasussa. Laitteen nimi on Lämpömoottori. Keksinnön tiivistelmä on Espacenet tietokannassa osoitteessa
https://fi.espacenet.com/publicationDetails/biblio?II=0&ND=3&adjacent=true&locale=fi_FI&FT=D&date=20201202&CC=FI&NR=20197081A1&KC=A1#
Professori Henrik Ryti on todennut toisen pääsäännön ohittamisedellytykset Tekniikan käsikirjan
2E 8. painos sivun 611 alaviitteessä 2.
Lämpömoottori täyttää nämä edellytykset ja jopa ylittää ne.
Hyvä hyötysuhde vähentää polttoaineen kulutusta ja pakokaasuja sekä hidastaa ilmakehän lämpenemistä.