Termodinamika se bavi proučavanjem topline i energije. U njenom središtu su zakoni koji opisuju kako se energija kreće unutar sustava, bio da je riječ o atomu, uraganu ili crnoj rupi. Prvi zakon termodinamike opisuje kako energija ne može biti proizvedena niti uništena, može se samo prenositi iz jednog oblika u drugi. Drugi zakon termodinamike, pak, vjerojatno je poznatiji i čak i dublji zato što opisuje granice djelovanja svemira. Ovaj zakon govori o neučinkovitosti, degeneraciji i propadanju. Govori nam da je sve što radimo inherentno rasipno i da postoje ireverzibilni procesi u svemiru. Daje nam smjer za vrijeme i govori nam da naš svemir ima neopisivo turobnu, pustu sudbinu.
Unatoč ovim pomalo poražavajućim idejama, ideje termodinamike oblikovale su se u vrijeme najvećeg tehnološkog optimizma – doba industrijske revolucije. Fizičari i inženjeri su sredinom 19. stoljeća gradili parne motore za mehanizaciju rada i transporta, te razmišljali kako ih učiniti moćnijima i učinkovitijima.
Mnogi znanstvenici i inženjeri, uključujući Rudolfa Clasiusa, Jamesa Joulea i lorda Kelvina, doprinijeli su razvoju termodinamike, ali otac discipline bio je francuski fizičar Sadi Carnot. Godine 1824. objavio je “Osvrt na pokretačku silu topline” (franc. “Réflexions sur la puissance motrice du feu”), djelo u kojemu je postavio osnovna načela, do kojih je došao opažanjem kretanja energije unutar motora i povezanosti između potrošene topline i korisnog rada.
Drugi zakon termodinamike može se objasniti na nekoliko načina, a najjednostavnije je da toplina prirodno ide od toplijeg prema hladnijem tijelu. U srcu toga je svojstvo termodinamike koje se zove entropija – u jednadžbama na slici oznaka joj je “S” – mjera količine nereda unutar sustava. Ovo se može pokazati na više načina, primjerice u rasporedu molekula -molekule vode u kocki leda u većem su redu nego nakon što se zagriju u plin. Molekule vode u kocki leda su unutar dobro definirane rešetke, dok u plinu plutaju nepredvidljivo. Entropija kocke leda je, dakle, manja od entropije plina. Isto tako, entropija tanjura je veća kada je u komadima na podu nego kada je u sudoperu u jednom komadu.
Formalnija definicija entropije prilikom topline koja se kreće unutar sustava dana je u prvoj jednadžbi. Infinitezimalna promjena u entropiji sustava (dS) izračunata je mjerenjem količine topline koja je ušla u zatvoreni sustav (δQ), koja je zatim podijeljena sa zajedničkom temperaturom (T) u točki u kojoj se dogodio prijenos topline.
Druga jednadžba je način opisivanja drugog zakona termodinamike u odnosu na entropiju. Formula kaže da entropija izoliranog prirodnog sustava uvijek teži ostati ista ili se povećati – drugim riječima, energija u svemiru postupno se kreće prema neredu. Naš početni opis drugog zakona izvire iz ove jednadžbe: toplina ne može spontano protjecati iz hladnog objekta (niska entropija) u topli objekt (visoka entropija) u zatvorenom sustavu zato što bi to kršilo jednadžbu. (Frižideri naizgled krše ovo pravilo jer mogu zamrznuti stvari do puno nižih temperatura od zraka oko njih. Ali frižideri ne narušavaju drugi zakon termodinamike zato što nisu izolirani sustavi – imaju kontinuirani pritok električne energije koja ispumpava toplinu iz njihove unutrašnjosti. Frižider zagrije prostor oko sebe i ako bi se isključio iz struje, prirodno bi se vratio u toplinsku ravnotežu s prostorom.)
Ova formula nameće smjer vremenu; dok bi svaki drugi fizikalni zakon koji poznajemo bio isti bez obzira na to ide li vrijeme unaprijed ili unatrag, to nije točno za drugi zakon termodinamike. Lonac kipuće vode teško da će ikada postati kocka leda, koliko god vremena da ga ostavite na izvoru topline. Razbijeni tanjur nikad se neće sam ponovno sastaviti, jer bi to reduciralo entropiju sustava kršenjem drugog zakona termodinamike. Neki procesi su nepovratni, uočio je Carnot.
Carnot je proučavao parne motore koji rade sagorijevanjem goriva da bi zagrijali cilindar koji sadrži paru, koja se potom širi i pritišće klip koji zatim čini nešto korisno. Dio energije izvučene iz goriva radi nešto korisno, što se zove rad, a ostatak je izgubljena (i neuredna) energija koju zovemo toplina. Carnot je pokazao da se može predvidjeti teoretski maksimum učinkovitosti parnog motora mjerenjem razlike u temperaturama pare unutar cilindra i zraka oko njega, što se u termodinamici naziva toplim i hladnim spremnicima sustava.
Toplinski motori funkcioniraju zato što toplina prirodno prolazi od toplih do hladnih mjesta. Kada ne bi postojao hladni spremnik prema kojemu bi se kretala, ne bi bilo protoka topline i motor ne bi radio. Nijedan toplinski motor ne može biti stopostotno učinkovit zato što je hladni spremnik uvijek iznad apsolutne nule.
Najbolje dizajnirani motori stoga zagrijavaju paru (ili drugi plin) do najviše moguće temperature, a zatim otpuste ispušni plin na najnižoj mogućoj temperaturi. Najmoderniji parni motori postižu do 60 posto učinkovitosti, a dizeli motori u automobilima imaju učinkovitost oko 50 posto. Motori s unutarnjim izgaranjem na bazi benzina rasipaju puno više energije iz goriva.
Neučinkovitosti su dio svakog sustava koji koristi energiju i mogu se opisati termodinamički. Ta izgubljena energija znači da će se sveukupni nered svemira – njegova entropija – s vremenom povećavati, ali će u nekoj točki dosegnuti maksimum. U ovom trenutku u nekoj nezamislivo dalekoj budućnosti, energija svemira bit će jednako raspoređena pa će, za sve makroskopske svrhe, biti beskorisna. Kozmolozi ovo zovu “toplinskom smrti” svemira, neizbježnom posljedicom nezaustavljivog marša entropije.
