Μπορούμε να ανακυκλώσουμε την ίδια την ενέργεια;

Για να εξοικονομήσουμε ενέργεια και να προστατέψουμε τις πηγές ενέργειας, στην εποχή μας ανακυκλώνουμε τα πάντα. Μπορούμε να ανακυκλώσουμε την ίδια την ενέργεια;

Βεβαίως, αν με την ανακύκλωση εννοείς τη μετατροπή ενός αντικειμένου σε μια άλλη πιο χρήσιμη μορφή. Το κάνουμε συνεχώς. Τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπουν την ενέργεια από το κάρβουνο ή την πυρηνική ενέργεια σε ηλεκτρισμό. Με την τοστιέρα στην κουζίνα μας μετατρέπουμε ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική ενέργεια. Με τις μηχανές των αυτοκινήτων μας μετατρέπουμε χημική ενέργεια σε κινητική ενέργεια. Όλες οι μορφές ενέργειας εναλλάσσονται, αρκεί να εφεύρουμε το κατάλληλο μηχάνημα να τις μετατρέψει.

Υπάρχει, όμως, ένα μειονέκτημα — ίσως το μεγαλύτερο μειονέκτημα σε ολόκληρο το σύμπαν: Κάθε φορά που μετατρέπουμε ενέργεια, χάνουμε ένα μέρος της αξίας της. Όχι επειδή τα μηχανήματά μας είναι ανεπαρκή ή επειδή εμείς κάνουμε τσαπατσούλικη δουλειά. Ο λόγος είναι πολύ πιο θεμελιώδης. Είναι σαν να αλλάζεις συνάλλαγμα σε μια ξένη χώρα: Υπάρχει κάποιος παγκόσμιος πράκτορας συναλλάγματος που τελικά παίρνει μια μικρή προμήθεια από κάθε συναλλαγή. Το όνομα αυτού του παγκόσμιου πράκτορα συναλλάγματος είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.

Είναι πραγματικά σαν εκείνα τα ανέκδοτα που περιέχουν τη φράση: «Υπάρχουν καλά νέα και άσχημα νέα».

Πρώτα τα καλά νέα. Αυτά είναι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, γνωστός και ως πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Υπαγορεύει ότι η ενέργεια ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται. Μπορεί να αλλάζει συνεχώς στις πολλές μορφές της — θερμότητα, φως, χημική, ηλεκτρική, ενέργεια μάζας και ούτω καθεξής — αλλά σύμφωνα με τον πρώτο νόμο η ποσότητά της πρέπει να παραμένει πάντα η ίδια, καθώς η ενέργεια δεν εξαφανίζεται ποτέ. Η ποσότητα της ενέργειας μάζας στο σύμπαν καθορίστηκε τη στιγμή της δημιουργίας του . Δεν πρόκειται ποτέ να ξεμείνουμε από ενέργεια.

Θαυμάσια! Τότε το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να μετατρέπουμε και να ξαναμετατρέπουμε την ενέργειά μας σε οποιαδήποτε μορφή χρειαζόμαστε ανά πάσα στιγμή — φως από το γλόμπο, ηλεκτρισμό από μια μπαταρία, κίνηση από μια μηχανή — και να συνεχίσουμε να τη χρησιμοποιούμε ξανά και ξανά. Θα ανακυκλώνουμε την ενέργεια όπως ανακυκλώνουμε τα αλουμινένια κουτάκια των αναψυκτικών, σωστά;

Δυστυχώς, κάνεις λάθος. Τώρα έρχονται τα άσχημα νέα. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής υπαγορεύει ότι κάθε φορά που μετατρέπουμε ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη, χάνουμε ένα μικρό μέρος της ποιότητάς της. Δεν μπορούμε να χάσουμε κανένα μέρος της ίδιας της ενέργειας — το απαγορεύει ο πρώτος νόμος — αλλά χάνουμε ένα μέρος της ικανότητάς της να κάνει δουλειά. Και αν δεν μπορείς να κάνεις τη δουλειά σου με αυτή, ποιο το όφελος της ενέργειας;

Ο λόγος που ένα μέρος της υποβαθμίζεται κάθε φορά που μετατρέπουμε ενέργεια από τη μια μορφή σε άλλη, είναι ότι ένα μέρος της καταλήγει σε θερμική ενέργεια είτε το θέλουμε είτε όχι.

Το 60 τοις εκατό περίπου της ενέργειας του κάρβουνου που καίγεται στο τοπικό εργοστάσιο παραγωγής ρεύματος σπαταλάτε ως θερμότητα, και μόνο το 40 τοις εκατό καταλήγει ως ηλεκτρισμός, και ένα μεγάλο μέρος αυτού χάνεται στο δρόμο για το σπίτι σου μέσα από τα καλώδια. Ύστερα, το 98 τοις εκατό της ηλεκτρικής ενέργειας που δίνεις στο γλόμπο σου σπαταλάτε ως θερμότητα. Ένα μεγάλο μέρος της χημικής ενέργειας της βενζίνης φεύγει από το ψυγείο και την εξάτμιση του αυτοκινήτου σου ως θερμότητα.

Ακόμη και αν όλες αυτές οι περίπλοκες λειτουργίες είχαν το 100 τοις εκατό της αποδοτικότητάς τους, και πάλι.θα χανόταν λίγη θερμότητα στο τέλος. Ακόμη και όταν ένας τροχός γυρίζει με νερό, ένα μικρό μέρος της ενέργειας του νερού καταλήγει ως θερμότητα τριβής στον άξονα του τροχού.

Το να περιμένεις να μην υπάρξει καθόλου θερμότητα είναι σαν να περιμένεις να μην υπάρξει τριβή. Και το να περιμένεις να μην υπάρξει τριβή είναι σαν να περιμένεις μια μηχανή να λειτουργεί για πάντα. Αέναη κίνηση. Ενέργεια από το πουθενά. Και αυτό είναι αδύνατον. (Βλέπε τον πρώτο νόμο.) Επομένως, όπου υπάρχει ενέργεια που καταναλώνεται, θα δήμιουργηθεί οπωσδήποτε θερμότητα.

Αλλά η θερμότητα δεν παύει να είναι ενέργεια, έτσι δεν είναι; Βεβαίως και είναι. Τότε γιατί δεν μπορούμε να πάρουμε αυτή τη θερμότητα και να τη βάλουμε να δουλέψει ως ωφέλιμη ενέργεια;

Εδώ έχουμε τα πολύ άσχημα νέα σχετικά με το δεύτερο νόμο: Μπορούμε πράγματι να το κάνουμε αυτό, αλλά όχι εντελώς. Ενώ άλλες μορφές ενέργειας μπορούν να μετατραπούν κατά 100 τοις εκατό σε θερμότητα, η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί κατά 100 τοις εκατό σε άλλη μορφή ενέργειας. Γιατί; Επειδή η θερμότητα σχετίζεται με μια τυχαία, άτακτη κίνηση μορίων. Και όταν η ενέργεια βρίσκεται σε αυτήν τη χαώδη κατάσταση, δεν μπορείς να την εκμεταλλευτείς πλήρως. Είναι σαν να προσπαθείς να οργώσεις ένα χωράφι με μια «ομάδα» αλόγων που τρέχουν προς όλες τις κατευθύνσεις.

Έτσι, λίγο λίγο, καθώς η Γη συνεχίζει να περιστρέφεται, όλες οι μορφές ενέργειας μετατρέπονται ακατάπαυστα σε χαμένη ενέργεια που είναι αδύνατον να επανακτηθεί. Η ενέργεια του πλανήτη μετατρέπεται σταδιακά σε μια άχρηστη, χαοτική κίνηση σωματιδίων. Όσο περισσότερη χρησιμοποιούμε τόσο περισσότερη χάνουμε.

Το σύμπαν αδειάζει σαν φτηνή μπαταρία.
Έχουμε πάρει την κατηφόρα, χωρίς επιστροφή.
Σου εύχομαι να έχεις μια όμορφη μέρα.

ΓΙΑΤΙ ΓΙΝΕΤΑΙ ΑΥΤΟ;

Μπορεί η ερώτηση να ακούγεται ηλίθια, αλλά τι είναι εκείνο που κάνει τα πράγματα να συμβούν ή να μη συμβούν; Το νερό κυλά προς τα κάτω, αλλά όχι προς τα πάνω. Μπορώ να βάλω ζάχαρη στον καφέ μου, αλλά, αν βάλω πάρα πολύ, δεν μπορώ να τη βγάλω. Μπορώ να κάψω ένα σπίρτο, αλλά δεν μπορώ να το επαναφέρω στην κατάσταση που ήταν πριν το κάψω. Υπάρχει κάποιος κοσμικός νόμος που καθορίζει τι μπορεί να συμβεί και τι δεν μπορεί;

Δεν υπάρχουν ηλίθιες ερωτήσεις. Στην πραγματικότητα, η ερώτησή σου είναι ίσως η πιο βαθυστόχαστη για ολόκληρη την επιστήμη. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχει μια αρκετά απλή απάντηση — από τότε που μια ιδιοφυία με το όνομα Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς κατανόησε τα πάντα στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα.

Η απάντηση είναι ότι παντού στη φύση υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ δύο θεμελιωδών αξιών: Της ενέργειας, για την οποία γνωρίζεις ορισμένα πράγματα, και της εντροπίας, για την οποία πιθανώς δε γνωρίζεις αρκετά (αλλά θα μάθεις σύντομα). Αυτή η ισορροπία είναι η μόνη που καθορίζει αν μπορεί να συμβεί κάτι ή όχι.

Ορισμένα πράγματα μπορούν να συμβούν από μόνα τους, αλλά δεν μπορούν να συμβούν προς την αντίθετη κατεύθυνση, αν δεν υπάρξει κάποια εξωτερική βοήθεια. Για παράδειγμα, μπορούμε να κάνουμε το νερό να πάει προς τα πάνω αν το σπρώξουμε ή το αντλήσουμε. Και αν θέλαμε πραγματικά να βγάλουμε τη ζάχαρη από τον καφέ, θα μπορούσαμε να εξατμίσουμε το νερό κι έπειτα να ξεχωρίζαμε με χημικό τρόπο τη ζάχαρη από τα στερεά του καφέ. Το να επαναφέρουμε ένα σπίρτο στην κατάσταση που ήταν πριν το κάψουμε είναι πολύ πιο δύσκολο, αλλά, αν είχαμε αρκετό χρόνο και εξοπλισμό στη διάθεσή μας, ένας μικρός στρατός από χημικούς πιθανώς θα μπορούσε να ανασυνθέσει το σπίρτο από τη στάχτη, τον καπνό και τα αέρια.

Η ουσία είναι ότι σε καθεμία από αυτές τις περιπτώσεις απαιτείται σημαντική εξωτερική παρέμβαση — δαπάνη ενέργειας απέξω. Από μόνη της, η Μητέρα Φύση επιτρέπει να συμβούν πολλά πράγματα αυθόρμητα. Άλλα πράγματα, όμως, δε συμβαίνουν ποτέ αυθόρμητα, ακόμη κι αν περιμένουμε με σταυρωμένα τα χέρια ως τη συντέλεια του κόσμου. Η ουσία της φύσης είναι: Συμβαίνουν αυθόρμητα τα φαινόμενα που ικανοποιούν κανόνες σχετικά με την ενέργεια και την εντροπία.

Ας δούμε την ενέργεια πρώτα. Μετά θα εξηγήσουμε και την εντροπία.

Γενικώς, οποιοδήποτε αντικείμενο θα προσπαθήσει να μειώσει την ενέργειά του, αν μπορεί. Σε έναν καταρράκτη, το νερό διώχνει τη συσσωρευμένη ενέργεια της βαρύτητας πέφτοντας σε μια λίμνη. (Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη σπαταλημένη ενέργεια για να περιστρέφουμε έναν υδραυλικό τροχό καθώς εκείνο πέφτει.) Αλλά από τη στιγμή που το νερό φτάνει στη λίμνη, είναι σε «χαμηλότερη ενέργεια», τουλάχιστον όσον αφορά τη βαρύτητα. Δεν μπορεί να ανέβει ξανά στην κορυφή. Πολλές χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν για μια παρόμοια αιτία: Οι χημικές ουσίες διώχνουν τη συσσωρευμένη ενέργειά τους μετατρέποντας αυθόρμητα τη μορφή τους σε διαφορετικές χημικές ουσίες που έχουν λιγότερη ενέργεια. Το καμένο σπίρτο είναι ένα παράδειγμα.

Έτσι, υπό τις ίδιες συνθήκες, στη φύση υπάρχει η τάση οποιοδήποτε αντικείμενο να μειώνει την ενέργεια του, αν μπορεί. Αυτός είναι ο πρώτος κανόνας.

Αλλά η μείωση της ενέργειας είναι η μισή εξήγηση σχετικά με το τι κάνει τα πράγματα να συμβούν. Η άλλη μισή είναι η αύξηση της εντροπίας. Εντροπία είναι απλώς μια φανταχτερή λέξη για την ακαταστασία, ή το τυχαίο, τη χαοτική, ακανόνιστη διάταξη των πραγμάτων. Όταν ξεκινά ένας αγώνας ποδοσφαίρου, όλοι οι παίκτες έχουν μια συγκεκριμένη θέση και βρίσκονται σε τακτική διάταξη — δε βρίσκονται σε αταξία, επομένως έχουν χαμηλή εντροπία. Μετά το ξεκίνημα του αγώνα, όμως, οι παίκτες σκορπίζονται στο γήπεδο σε άτακτη διάταξη, δηλαδή με υψηλή εντροπία.

Το ίδιο συμβαίνει και με τα ξεχωριστά σωματίδια που απαρτίζουν όλες τις ουσίες: Τα άτομα και τα μόρια, Ανά πάσα στιγμή, μπορεί να βρεθούν σε τακτική διάταξη, σε ένα άτακτο κουβάρι, ή σε μια ενδιάμεση κατάσταση. Δηλαδή, μπορεί να έχουν διαφορετικές ποσότητες εντροπίας, από χαμηλή σε υψηλή.

Αλλά υπό τις ίδιες συνθήκες (συγκεκριμένα της ενέργειας), στη φύση υπάρχει η τάση να αυξάνεται η αταξία των σωματιδίων οποιουδήποτε αντικειμένου — δηλαδή, οπουδήποτε αντικείμενο θα αυξήσει την εντροπία του, αν μπορεί. Αυτός είναι ο δεύτερος κανόνας. Μπορεί να υπάρξει μια «αφύσικη» αύξηση ενέργειας, με την προϋπόθεση ότι θα υπάρξει ένα αρκετά σημαντικό αντιστάθμισμα σε αύξηση εντροπίας. Ή μπορεί να υπάρξει μια «αφύσικη» μείωση εντροπίας, με την προϋπόθεση ότι θα υπάρξει ένα αρκετά σημαντικό αντιστάθμισμα σε μείωση ενέργειας. Το κατάλαβες;

Επομένως, το ζήτημα αν κάτι μπορεί να συμβεί ή να μη συμβεί αυθόρμητα στη φύση — χωρίς εξωτερική παρέμβαση — είναι ζήτημα ισορροπίας μεταξύ των κανόνων της ενέργειας και της εντροπίας.

Ο καταρράκτης; Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει μια μεγάλη μείωση δυναμικής ενέργειας. Δεν υπάρχει καμία ουσιαστική διαφορά εντροπίας μεταξύ της κατάστασης του νερού στην κορυφή και στον πάτο. Είναι μια διαδικασία που οδηγείται από ενέργεια.

Η ζάχαρη στον καφέ; Διαλύεται επειδή υπάρχει μεγάλη αύξηση της εντροπίας. Τα μόρια της ζάχαρης που κολυμπούν μέσα στον καφέ είναι πολύ πιο άτακτα απ’ ό,τι ήταν όταν ήταν σφιχτά δεμένα μεταξύ τους στους κρυστάλλους της ζάχαρης. Εν τω μεταξύ, δεν υπάρχει καμία ουσιαστική διαφορά ενέργειας μεταξύ της στερεής ζάχαρης και της διαλυμένης ζάχαρης. (Ο καφές δε γίνεται πιο ζεστός ή πιο κρύος όταν διαλύεται η ζάχαρη, έτσι δεν είναι;) Είναι μια διαδικασία που οδηγείται από εντροπία.

Το καμένο σπίρτο; Εμφανώς, υπάρχει μεγάλη μείωση ενέργειας. Η συσσωρευμένη χημική ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα και φως. Υπάρχει, όμως, και τεράστια αύξηση εντροπίας. Ο κυματιστός καπνός και τα αέρια είναι πολύ πιο άτακτα από ό,τι στο μικρό, συμπαγές κεφάλι του σπίρτου. Επομένως, αυτή η αντίδραση έχει την ευλογία και των δύο φυσικών κανόνων, και συμβαίνει πολύ αυθόρμητα τη στιγμή που θα τρίψεις το σπίρτο πάνω στο κουτί. Είναι διαδικασία που οδηγείται και από ενέργεια και από εντροπία.

Τι γίνεται αν έχουμε μια διαδικασία στην οποία μία από τις δύο ποσότητες, ενέργεια ή εντροπία, «ακολουθήσει λάθος δρόμο»; Λοιπόν, η διαδικασία θα λειτουργήσει αν η άλλη ποσότητα ακολουθήσει το «σωστό» δρόμο με αρκετή ένταση ώστε να υπερισχύσει. Δηλαδή, η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί, εφόσον υπάρχει αρκετή αύξηση εντροπίας για να την αντισταθμίσει. Και η εντροπία μπορεί να μειωθεί εφόσον υπάρχει αρκετή μείωση ενέργειας ώστε να την αντισταθμίσει.

Αυτό που κατόρθωσε ο Τζ. Γουίλαρντ Γκιμπς ήταν να δημιουργήσει μια εξίσωση γι’ αυτή την ισορροπία ενέργειας- εντροπίας. Αν το αποτέλεσμα αυτής της εξίσωσης έχει το αρνητικό σημείο, η εν λόγω διαδικασία είναι μια από εκείνες τις οποίες η Μητέρα Φύση επιτρέπει να συμβούν αυθόρμητα. Αν το αποτέλεσμα έχει το θετικό σημείο, η διαδικασία είναι αδύνατον να συμβεί. Απολύτως αδύνατον, εκτός αν ο άνθρωπος ή κάποια άλλη δύναμη παραβαίνει τους κανόνες με πλάγιο τρόπο, προσθέτοντας ενέργεια από εξωτερική πηγή.

Χρησιμοποιώντας αρκετή ενέργεια, μπορούμε πάντα να υπερισχυσουμε του φυσικού κανόνα της εντροπίας, σύμφωνα με τον οποίο τα πάντα τείνουν προς την αταξία. Για παράδειγμα, με πολλή προσπάθεια θα μπορούσαμε να μαζέψουμε, άτομο προς άτομο, τα δέκα εκατομμύρια τόνους διαλυμένου χρυσού που είναι διασκορπισμένα στους ωκεανούς της Γης, οι οποίοι κάθονται εκεί και περιμένουν να τους μαζέψει κάποιος, Αλλά είναι διασκορπισμένοι σε 324 εκατομμύρια κυβικά μίλια (1,35 δισεκατομμύρια κυβικά χιλιόμετρα) ωκεανού σε άτακτη διάταξη απίστευτα υψηλής εντροπίας. Το πρόβλημα είναι ότι η ενέργεια που απαιτείται για να ξεχωριστεί και να καθαριστεί όλος αυτός ο χρυσός θα κόστιζε πολύ περισσότερο από την αξία του.

Φημολογείται ότι ο Αρχιμήδης (287-212 π.Χ.), μια κρίση υπερβολικού ζήλου για τους νόμους της μηχανικής, είχε αναφωνήσει: «Δώστε μου έναν αρκετά μακρύ μοχλό και ένα μέρος για να σταθώ, και θα κινήσω τη Γη». Αν γνώριζε για την εντροπία και τη μηλόπιτα, θα μπορούσε να είχε προσθέσει: «Δώστε μου αρκετή ενέργεια και θα ξανασυναρμολογήσω τη Γη με την τάξη μιας μηλόπιτας».