Az entrópia mint a technika alapkategóriája

Az entrópia mint a technika alapkategóriája

CRISTIAN HEIN - HERBERT JÁNOS

az energia „m in ő s é g é n " összpontosuttságának m é rtékét értjük. A lo ka lizált energia jó m inőségű, hasznos energia. A kuszán szétfoszlott energia rossz m inőségű, használhatatlan energia. Ö sszpontosított energiával le h e t valam it kezdeni, de a m it szétosztunk, elveszíti változást előidéző ké p ességét. A re n d e ­ zetlen felosztás je le n ti a m inő sé g i é rté k c s ö k k e n é s t...

A célirá n yos szervezett v á lto z á s t... ugyanazon ten d e ncia hívja létre, m in t am i leállítja a p a tto g ó labdát, vagy m egolvasztja a j e g e t ... m in d e n változás alapja ugyanaz, összeom lás a zűrzavarba ...

A változás m ély oka a romlás. Az energiának nem a m ennyisége, a m in ő sé g e rom lik.

... A m in ő sé g önm agától csökken, ... de olyan bonyolult, h o gy ítt-ott visszaszo­

ru lh a t a zűrzavar, és - am ikor egy katedrális épül, vagy fe lc s e n d ü l egy szim fónia - fe lra gyo g h at a m inőség. ” (1)

A tkíns filozofikus és kö ltő i szavai végső soron azt fogalm azzák m eg, h o g y a term odinam ika m á sodik főtétele - azaz a term észetben vég be m e n ő változások irányával ka p csola to s tapasztalatok összegzése - összhangban á ll azzal az észrevétellel, hogy m inden változással végső soron a világ entrópiája növekszik.

Az e ntrópiatétel (2) csa k akkor érvényes, ha véges szige telt rendszerre vonat­

koztatjuk, tehát A tkins költőien szép m egfogalm azása term észettudom ányosán nem igazolható.

Természetesen az értekezésben nem kívánunk az entrópiával ka p cs o la to s világnézeti, filozófiai ké rd é se kke l foglalkozni, csu p án néhány g o n d o la to t szeret­

nénk fűzni ahhoz a so ka t vitatott kérdéshez, hogy felhasználható-e az entrópia, illetve az e ntrópiatétel te ch n ika i rendszerek elem zésére, rendszerezésére, m i­

nősítésére.

Az entrópia mint a technikai rendszerek általános rendezőelve

A technikai rendszerekben vé g b e m e n ő folya m atok - éppen az állapotváltoztatás, a te ch n ika i rendszer fu n k ció m e g va ló sítá sá n a k lé n ye g é b ő l k ö ve tke ző e n - e lvesztik spontaneitásukat (3) és - általában - a tapasztalattal m e g eg ye ző m ó d o n a környezet entrópiáját növelik, de lokálisan csökkentik az entrópiát. Eszerint a te ch n ika i re n d ­ szereket úgy is definiálhatjuk, mint olyan anyag és/vagy energia é s/va g y in fo rm á c ió ­ transzfer fu n k c ió jú em beri célok m egvalósítására szo lg á ló m esterséges anyagi re n d ­ szereket, m elyek - fu n kció ju k realizálása során - lokális e n tró p ia csö kke n tő k, ez a lokális e n tró p ia csö kke n té s azo nb a n a környezet entrópiájának „kárára" - környezet e n trópianövekedése = környezetszennyezés - va ló su l meg.

A definíció érvényét szám talan ellenpéldával lehet m egkérdőjelezni. Igen kö n n yű olyan technikai rendszereket felsorolni, melyek fu n k c ió ja kifejezetten a lokális e n tró p i-

anövekedés. Ilyen valam ennyi ho m og e n izá ló rendszer, például a keverőgépek.

Erre az ellenvetésre azonban könnyű válaszolni. A h a ba rcske ve rőg é p például a h o m o k b ó l, vízb ő l stb. h a barcsot készítve kétségtelenül lokálisan növeli az entrópiát, de az egész te c h n o ló g ia i fo lya m at eredm énye - m o n dju k egy ház felépítése ö s s z e s ­ ség éb e n - m é g iscsa k lokálisan entrópiacsökkentő.

N a g y o b b p ro b lé m a a technikai rendszerek entrópiájának korrekt értelm ezése. Ez m e g ha la dja értekezésünk kereteit, ezért a tovább ia kb a n csak a technikai rendszerek energetikai vizsgálatával ka p cso la to s p roblém ákra szorítkozunk.

A tkin s idézett g o n d o la ta i igen szem léletesen illusztrálják szerzőjük elképzeléseit, de nem in d o ko ljá k egy korlátozott érvényű törvény általánosítását, sőt az általunk történt kiterjesztését sem a te ch n ika - nem szigetelt - rendszereire.

A m e g m a ra d á si tö rvények kivételével valam ennyi fizikai törvény csak közelítő je lle ­ gű, csak a m egfelelő d im enzióban használható.

Ha a te ch n ika i rendszereket energetikailag vizsgáljuk, olyan e n ergiasűrűségekkel találkozunk, m elyek a rendszeren belül, valam int a rendszer és környezete közötti kö lc s ö n h a tá s b a n a tapasztalat szerint - úgy tűnik - csak olyan fo lya m a to ka t e re d m é ­ nyeznek, m elyek nem m on da n a k ellent az atkinsi g o n d o la to k technikai rendszerekre tö rté n ő kiterjesztésének.

Ha a te ch n ika i rendszerekre elfo ga d juk a tapasztalati ism ereteinknek nem elle n t­

m o n d ó állítást, m iszerint a technikai rendszerek feladata a lokális e n tró p ia -c s ö k k e n té s (é s /v a g y a te rm é s z e te s e n tró p ia n ö v e k e d é s m e g a k a d á ly o z á s a ), é rd e k e s re n d ­ szerezőelvhez jutunk.

S < 0

S < 0 S = 0

1) Az S < 0 ö ssze fü g gé s a technikai rendszerek létrehozásánál, m ajd pedig fu n k c ió ­ juk m egvalósításánál jut kifejezésre.

2) Az S = 0 ö ssze fü g g é s a te chnika álla p otm e gő rző szerepét jelenti. A m agára ha gyo tt tech n ika i rendszer fo ko za to sa n tönkrem egy, a m ű kö d ő pedig elhasználódik, tehát az entrópiája nő (m inősége rom lik). Ennek m egakadályozása Szücs és S c h ille r rendszerezésében hatféle m ó d o n történhet (4).

S = 0

a) Szigetelés a) Tárolás

b) S zabályozás és vezérlés b) Felújítás c) Az ö n sza b á lyo zó ké p e ssé g növelése c) Karbantartás

S = 0 ö ssze fü g g é s m egvalósítása tö b b esetben S < 0 m ó d o n realizálódik, egy m e g ­ engedett e n tró pia n öve ke d é s utáni e n trópiacsökkenéssel (pl.: elko p o tt alkatrészek cseréje).

Az entrópia mint a technikai rendszerek értékelésének minőségi mutatója

A technikai rendszerek energetikai jellegű vizsgálataira visszatérve abból kell kiindulnunk, hogy az entrópianövekedés energiadisszipációként is értelmezhető. A technikai rend­

szerekből a környezetükbe disszipálódott energia - néhány kivételtől eltekintve - általában veszteség, s mint ilyen a technikai rendszerek minőségi összehasonlítására alkalmas.

Ez term észetesen az energetikai jellegű hatásfokokkal és m utatókkal (5) e g y s z e ­ rűbb lenne, a hatásfok azonban csak m agára a rendszerre vonatkozik, így a rendszer és környezete közötti - különösen az energiatranszfer fu n k c ió jú rendszerek s z e m p o n t­

já b ó l dö ntő en fo n to s - kö lcsö n h a tá so kró l viszonylag keveset m ond.

E setünkben ko m p le xe b b vizsgálatokra is sor kerülhet, hiszen a környezetbe tö rté n ő e n e rg ia disszipá ció - le g töb b szö r - m aga az energetikai jellegű környezetszennyezés.

A rendszer és környezetének elhatárolása és definiálása a kérdés to v á b b i igen p ro b lé m atiku s része. A rendszer és környezetének spe ciá lisa n te ch n ika i a sp ektu sú elkülönítése és definiálása általában problém am entesen m e g old h ató. Ha konkrét entrópiad isszip á ció -szá m ítá so kra kerülne sor, a kérdés m ár lényegesen b o n y o lu lta b ­ bá válna.

Ö sszefoglalva:

1) A tapasztalattal és technikaelm életi m egfontolásainkkal n incs ellentétben az elvi állítás, hogy a technikai rendszerek lokálisan csö kkentik az entrópiát, m iközb e n - ennél n a g y o b b m értékben - környezetük entrópiáját növelik.

2) Az egyes p o n to kb a foglaltak pusztán elvi elfogadása, a te ch n ika i rendszerek által lokálisan realizált S < 0 össze fü g gé s a technikai rendszerek egyik fo n to s rendezőelve, m elynek elem zése oktatási sze m p on tb ó l is célszerű.

3) a) Ha a technikai rendszereket energetikailag vizsgáljuk, a rendsze re kb en és környezetükben általában olyan energiasúrúségekkel találkozunk, m elyek csak olyan kö lcsö n h a tá so kat eredm ényeznek, hogy kiinduló állításunkkal (1 pont) a tapasztalat elég p o nto san m egegyezik. Ne felejtsük el a fizikai tö rvények a m egm aradási tö rv é n y ­ ek kivételével csak közelítő jellegűek.

b) A te ch n ika i rendszerek energetikai vizsgálatánál a környeze tb e d is s z ip á ló d o tt energia (= entrópia) vizsgálata az energetikai hatásfokoknál és m u ta tó kn á l lé n y e g e ­ sen tö b b kérdésre ad választ a kü lö n b ö ző fu n kció t b e tö ltő rendszerek m inő sé g i összehasonlításánál és értékelésénél, különösen a rendszer és környezete k a p c s o la ­ tát illetően.

4) Ha m indezzel kapcsola tb a n konkrét szám ításokat akarunk végezni, a te ch n ika i rendszerek energetikai értékelésénél - hiszen itt „csu p á n " te rm o d in a m ika i fo ly a m a to k ­ ról van szó - sokkal n a g yo b b problém át jelent egy ko m plex értékelés m egkísérlése.

E zekben az esetekben m ár a technikai rendszer környezetének egzakt definíciója, to v á b b á a rendszer és környezetének elhatárolása olyan p ro blé m ák sorát veti fel,

m elyek m eghaladják e tanulm ány kereteit.

Az entrópia mint a technika alapkategóriája

M inden tudom ány alapja egy egységes kategóriarendszer. Az egyes m űszaki tu d o ­ m ányok kategóriarendszerei általában egzakt m ódon kidolgozottak. Az általános te c h n i­

kai nevelés szerves részét képező technika tantárgy tartalmát jelentő ism eretanyagot, melynek jelzésére D éri (6) az angol term inológiát segítségül véve a technika = technics, (vagy a technika = generál technics) kifejezést használja, m ég nem sikerült - egy oktatási aspektusból rendszerezett - egzakt m űszaki alaptudom ánnyá fejleszteni.

M á ské pp fo galm azva a mai kom plex te rm é s z e ti-tá rs a d a lm i-te c h n ik a i kö rnyezet szerves részét jelentő technikai környezetről egységes, általános, s m indenki szám ára az általános m űveltség alapvető részét képező ism eretek tu d o m á n y o s a la p o s s á g ú és tu d o m á n y o s a la p o ko n álló ism eretrendszerének kidolgozása, m a m ég a n a gyszá m ú pró bá lko zás ellenére sem nevezhető m egoldottnak, s így nyilvánvaló, hogy a fenti értelem ben használt te ch n ika kategóriarendszerét sem tu d juk m egalkotni. T a n u lm á ­ nyunkban nem is cél egy ilyen kategóriarendszer felállítása, s nem teszünk kísérletet az egyes szerzők ism ert próbálkozásainak értékelésére vag y kiegészítésére sem .

R övid g o n d o la tm e n e tü n k célja annak az elképzelésnek a teljesség igénye nélkül tö rté n ő vé g ig g o n d o lá s a , hogy az entrópia fog a lm a olyan m agas szintű a bsztrakciót képvisel, h o gy ez alapján a te chnika alapkategóriája is lehetne. V izsgálataink kizárólag a te ch n o szfé rá i a, s ezen belül is a term elési fo lya m atokra vonatkoznak.

V alam ennyi a te c h n o ló g ia i fo lya m atot m egvalósító technikai rendszer és környezete között a fo lya m a t m egvalósítása során anyag-, energia- és in fo rm á ció csere jö n létre.

E cse re fo lya m a to k v é g s ő so ro n a céltudatos, hasznos m un kafolya m a to t alkotják, értelm es em beri célokat valósítanak meg, de elkerülhetetlenül negatív kísé rő jele n sé ­ geik is vannak. Ez u tó b b ia k értékelése általában aspektivikus, azaz néhány fontos, va g y annak tartott kiem elt kritérium szerint történik.

Tanulm á n yu nkb a n azt a hipotézist képviseljük, hogy az entrópia a technikai fe jlő d é s le g á lta lá n o sa b b kritérium ának tekinthető, s mint ilyen a te chnika alapkategóriái közé tartozik.

V alam ennyi term elési folyam at részfolyam atokból áll. E részfolyam atok célja az anyag, az energia és az in fo rm á ció átalakítása, tárolása, szállítása, eszköze pe dig a fizikai értelem ben vett m unka. E folyam atok m indegyike az em ber által, em beri célok é rd eké b e n létrehozott, s ennek m egfelelően céltudatosan irányított spo ntá n folyam at, m elynek során az energia k ü lö n b ö ző fajtái alakulnak át hővé.

Ha e fo lya m a to ka t energetikailag vizsgáljuk, akkor valam ennyi e fo lya m a to ka t reali­

záló te ch n ika i rendszer v é g ső so ro n energiát, a kü lö n b ö ző energiafajtákat hővé átala­

kító berendezésnek tekinthető, ami a term elési folyam at során a te rm o d in a m ika i en tró pia álla n dó növekedésével jár (1. ábra).

H u l l a d é k h o T e r m o d i n a m i k a i e n t r ó p i a

A n y a g

--- >

E n e r g i a

--- >

Inforrnác ió Anyag

--- /

E n e r g i a I n f o r m á c i ó

T F = t e r m e l é s i f olyamat

St > 0

Á ltalános term elési folyam at (term odinam ikai m odell)

Az entrópia statisztikus értelmezése lehetővé teszi az entrópiafogalom te rm o d in a m i­

kán kívüli használatát is A statisztikus összefüggések értelmezhetők az anyag m aga­

sabb m ozgásform áiban, tehát a termelési folyam atokban is. Ez azt jelenti, hogy az egyes rendszerek entrópiájával, rendezetlenségének mértékével a termelési folyam atok n e m ­ term ikus kom ponensei is kezelhetők, mint például a környezetbe kerülő légnemű, fo ly é ­ kony vagy szilárd halm azállapotú szennyeződések, egyszóval a környezetszennyezés (nem term ikus kom ponensei). Az entrópia ezen értelmezése a termelési folyam atoknak egy az előbbitől eltérő aspektusból történő általános leírását teszi lehetővé (2. ábra).

Egy harm adik n é ző p o n tb ó l törté n ő általános leírás lehetősége az e ntrópiának s tru k ­ túra tu lajd o nsá g ké n t, a struktúra m inőségét, fejlettségi szintjét leíró jellem zőként törté-

H ű l l a d é k h o Stat. iszt ikai

e n t r ó p i a

A n v a e E n e r g i a

Inforrnáció

>

>

TF = termelési folyamat.

2. ábra

Á ltalános term elési folyam at (statisztikai m odell)

nő értelm ezésből adódik. Ez alatt az inform ációnak m int n e gentrópiának egy m inő sé g i interpretációja értendő. A n egentrópia mint e n tró p ia csö kke n é s in fo rm á c ió s hatások következtében a rendezettség, a szervezettség, a tervszerűség stb. növelésével jön létre. Az entrópiát itt, a valószínűségi értelm ezés elhagyásával, m int e gyértelm űen definiált stru ktú ra tu la jd o n ság o t értelmezzük, definiált struktúrák - beleértve a te c h n o ­ lógiailag létrehozott kö zb en ső és végterm ékek struktúrái is - ö sszetettségének, b o ­ nyolultságának m értékeként alkalm azzuk.

A te c h n o ló g ia i fo lya m a to k - szem ben a term észetiekkel - állandó cé ltu d a to s in fo r­

m á ció s hatás alatt m ennek végbe, létrehozva a közb en ső és vég te rm éke k em beri célok m egvalósítására alkalm as struktúráit. M ásképp fo galm azva: a te c h n o ló g ia i fo ­ lyam atokat úgy tervezik, hogy anyag, energia és in fo rm á ció felhasználásával em beri célok m egvalósítására alkalm as struktúrákat hozzanak létre. E struktúrák közti k ü lö n b ­ ség m értéke az inform áció.

Az entrópia strukturális értelm ezése a folyam atokat kifejezetten te ch n ika i s z e m p o n t­

ból jellem zi.

A te ch n o ló g ia i fo lya m atok inform ációtartalm a három részből te vő d ik össze, a te c h ­ nológiai fo lya m a to t realizáló technikai rendszer ko n stru kció p a ram é te re ibő l, s z a b á ly o ­ zási info rm á ció ib ó l, valam int a rendszerbem enet param étereiből.

Az e ntrópia három féle értelm ezése a term elési fo lya m a to k átfogó, általános tecnikai jellem zését teszi lehetővé.

Az egyes folyam atokra, azaz a teljes term elési fo lya m at részfolyam ataira felírható az ö ssze fü g gé s :

Sf = St + Ss + ( - Sstr)

A folya m at entrópiája (Sf) tehát a term odinam ikai (St), a statisztikus (Ss), és a strukturális e ntrópia (Sstr) összegeként értelm ezhető. A strukturális en tró pia m int negentrópia a fo lya m at statisztikai és te rm odinam ikai entrópiájával ellentétes előjelű (3. ábra).

S t r u k t u r á l i s entró p i a (Negen t r ó p i a ) v

Kiindulási s t r u k t ú r a Vé g s t r u k t ú r a

Ve z é r l ö informáé ió TF = termelési folyamat

Sstr < 0

3. ábra

Á ltalános term elési folyam at (strukturális m odell)

A teljes term elési folyam at entrópiája (Sft) véges n szám ú részfolyam at esetén a ré szfolyam atok entrópiáinak összegeként írható f e l :

S ft = 2 S t + ¿ S s + ¿ S s tr

¡=1 ¡=1 ¡=1

A nnak eldöntése, hogy az összentrópia pozitív vagy negatív érték, s m ekko ra a határértéke, m eghaladja e tanulm ány kereteit, m elyben a strukturális entrópiát csak kvalitatíve értelm eztük.

Ha egy m en nyisé g lehetővé teszi, hogy a technológiai folyam atokat úgy te rm o d in a ­ m ikailag, m int sta tisztiku s-n em te rm o d ina m ika i, valam int struktú ra ké p ző sze m p o n tb ó l ö sszeha so n lítsu k, akkor ezt a m ennyiséget a tech n o ló g ia i folya m atok és az ezeket realizáló te ch n ika i rendszerek legáltalánosabb rendezőelvének és értékelési krité riu ­ m ának tekinthetjük.

A te c h n o ló g ia i fo lyam atoknak a három e n tró pia ko m po n e n s segítségével tö rté n ő c so p o rto sítá sá t a következő táblázat mutatja (4 ábra).

A táblázat csoportosításából is egyértelmúen kitúnik, hogy a technológiai folyam atok számtalan részfolyamata nem struktúraképző folyamat, céljuk „m indössze" a struktúrakép- zés fettételeinek a biztosítása, de minden technológiai folyamat, ha parciálisán entrópia­

csökkenés kíséri is, összeségében mégiscsak determinált struktúraképzést eredményez.

Ha sikerülne a te ch n o ló g ia i folyam atokat összentrópiájuk alapján kvantitatíve érté­

kelni, ez az objektív kiválasztás lehetőségét jelentené. Az ilyen kom plex értékelésnek m in d h á ro m ko m p o n e n s együttes vizsgálata alapján kellene történnie.

Az első kritérium a m e g m unkálandó objektum struktúrájának, azaz az anyagnak é s/va g y energiának és/vagy inform ációnak mint m unkatárgynak a struktúrájában létrejövő, a folya m at inform atikai irányításából szárm azó, s az e n tró pia csö kken é sb e n kifeje ző d ő fejlődés lenne, m íg a m ásodik kritérium az energetikai hatásfok, a harm adik p edig a statisztikai, nem term odinam ikai entrópianövekedés mértéke.

A m e g m u n ká la n d ó objektum struktúrájának tökéletesedéséből a d ó d ó e n tró p ia ­ csö kke n é s a te ch n o ló g ia i folyam at, s egyben az azt m egvalósító technikai rendszer irányításának in fo rm á ció ib ó l (inform áció = negentrópia) adódik.

Termőd ina- mikai

entrópia

Statisztikus Strukturális nemtermodina­

mikai entrópia

Folyamat entrópia

St = 0 Ss = 0 Sstr = 0 Nincs folyamat

St > 0 Ss = 0 Sstr = Ó Spontán, nem evolú­

ciós természeti fo­

lyamatok pl. erózió, korrózió, stb.

St > 0 S s •= 0 Sstr = 0 Állapotmegőrző tech­

nikai folyamatok pl. hűtés. tárolás, stb.

St > 0 Ss > 0 Sstr > 0 A rendezetlenséget növelő technikai folyamatok

pl. keverés, őrlés, Stb .

St > 0 Ss

0 Sstr < 0 A rendezettséget nö­

velő technikai fo­

lyamatok

pl. szortírozás, komponensek szétvá­

lasztása, stb.

St > 0 Ss > 0 Sstr < 0 Termékelöál1ítás (anyagi, energetikai és információs jel­

legű termékek előál­

lítása )

4. ábra

Technológiai folyam atok csoportosítása a három entrópiakom ponens segítségével

Az energetikai hatásfok növelése (például a racionális energiafelhasználással), valam int a n em term odinam ikai e ntrópianövekedés m inim alizálása (például a k ö rn y e ­ zetszennyező anyagok em issziójának csökkentésével, vag y a h u lla dé ksze g é ny te c h ­ no lógiák alkalm azásával) egyben az össze ntróp ia csökkentését jelentik.

A te ch n o ló g ia i folyam atok, s a te ch n o ló g ia i fo lya m a to ka t m e g való sító te ch n ika i rendszerek ko m plex m inőségi m untatója tehát az összentrópia.

E bből a d ód ik a zárókövetkeztetés, m iszerint a te ch n o ló g ia i fo ly a m a to k és a realizá­

lásukra létrehozott technikai rendszerek továbbfejlesztése ö ssze n tró p iá ju k c s ö k k e n té ­ sét jelenti.

IRODALOM

(1) A tkins P.W.: Teremtés. Gondolat, Budapest, 1987. 35. p.

(2) Fényes /.: Entrópia. Studium Könyvek 34. Gondolat, Budapest, 1987. 35. p.

(3) W olffgram m H. \ Allgemeine Technologie. VEB Fachbuchverlag, Leipzig, 1978. 19. p.

(4) Szücs - Schiller: Technika és energia II. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1987.

126. p.

(5) I. 4. 132. p.

(6) I. például

a) D éri J. : A technika alapkategóriái és az egyetemi képzés feladata = A technika tanítása. 1982/4.

sz. 102. p.

b) I. 3. 52. p.