ULIMWENGU UMEUMBWA, ULIKUWEPO MILELE AU UMETOKEA WENYEWE TU? - KANUNI ZA THERMODYNAMICS

By Monstgala

Kuna kitu cha kufurahisha katika mada hii hasa katika upande ambao issue hii ya kanuni za msingi kabisa za fizikia zimeangaziwa. Ni approach nzuri kuna kitu unaweza kujifunza au kupata mwanga zaidi. Lakini kunaweza pia kuwa na critisms lakini lazima ijengwe katika level hii ili ieleweke. 

Kanuni za kifizikia mfano; Thermodynamics zimekuwepo toka mwanzo wa ulimwengu. Kuvumbuliwa kwa kanuni hakuna maana kwamba hazikuwepo. Mainjinia wote wanazijua vizuri na wanazisoma haswa ili kujenga ufahamu na uwezo wa kutizutima katika kazi zao. Thermodynamics zimebeba msingi mzito wa teknolojia ya uinjinia na kila kinachohusisha nishati basi kina kanuni za thermodynamics ndani yake  ”Nishati ni concept ya msingi ya thermodynamics na ni moja ya nguzo muhimu ya uchambuzi wa kiinjinia.” - Moran & Shapiro

Neno thermodynamics asili yake ni chapisho la mtaalam wa mambo haya William Thomson ambaye anajulikana kama baba wa thermodynamics. Nenohili linatokana na maneno mawili ya kiyunani therme likiwa na maana ya joto na dunamis likimaanisha nguvu (power/force)

Tafsiri kwa Kiingereza:  Thermodynamics is the branch of physical science that deals with the relations between heat and other forms of energy (such as mechanical, electrical, or chemical energy), and, by extension, of the relationships between all forms of energy.

Ziko kanuni nne za msingi za thermodynamics 1.) Zeroth law of thermodynamics 2.) First law of thermodynamics: 3.) Second law of thermodynamics: 4.) Third law of thermodynamics. 

Kanuni hizi za msingi zimefanisha kugundulika kwa formula, equations na theories nyinginezo chini yake ambazo mwendelezo wa  physical science mfano Avogadros law, Boltzmann equation,  Boyles Law, Carnot theorem, Charles Law, Dalton Law of partial pressure etc.

Kanuni za msingi za thermodynamics ambazo zinaweza kuhusishwa na asili ya ulimwengu (universe) ni mbili ya kwanza na ya pili.

Kanuni ya kwanza ya thermodynamics (First Law of thermodymamics)

Hii kwa kifupi inasema nishati katika mfumo unaojitegemea (isolated system) inaweza kuhamishwa kutoka hali moja hadi nyingine lakini haiwezi kuundwa upya wala kuharibiwa. Pia inaweza kuelezwa hivi;  Nishati kamwe haiundwi upya wala kuharibiwa (remain constant) ila inaweza kubadilishwa kutoka aina moja (ya nishati) kwenda nyingine. 

Kubadilishwa aina tofauti tunaweza kuchukua mfano wa solar cell hii inabadili nishati ya mwanga  wa Jua kuwa nishati ya umeme ambayo inaweza kutumiwa kuwasha taa au kuchaji simu ya kiganjani. Hii kanuni pia inajulikana kama “Principle of conservation of energy”

Kanuni ya pili ya thermodynamics (Second Law of thermodynamics)

Kanuni ya pili ya thermodynamics inaundwa kutokana na ile ya kwanza na iligunduliwa na Kelvin Clausious na inaweza ikawekwa au ikaelezewa kwa namna nyingi lakini msingi wake ni kufafanua hali ya asili  kutojirudia (irreversibility).  Hii inaonesha ni ukweli usiopingika kuwa kwa muda fulani, tofauti ya joto, shinikizo na uwezo wa kikemikali inaleta mabadiliko (entropy) katika mfumo unaojitegemea (isolated system).

Pia inaweza kuelezewa hivi, ingawa nishati haiundwi au kuharibiwa (constant energy) katika mfumo unaojitegemea ila hubadilika kutoka aina moja kwenda nyingine,bado nishati hii inaendelea kupungua uwekekano wa kutumika (less usability).  Mfano mkaa ulionunua sokoni unachomwa unapata joto na majivu. Ingawa joto na majivu yale havitapotea katika ulimwengu ila itakuwa ngumu sana kuvikamata na kuvitumia tena kupika chakula kwa efficiency ile ile.

Kwa nini themodynamics zinakinzana na baadhi ya nadharia za asili ya Ulimwengu?

Kuna mifumo aina tatu inayowezekana, open system, closed system na isolated system kwa maana ya kwamba open system inaruhusu kupita kwa nishati na maada katika mipaka yake, closed system imefungwa maada haipiti katika mipaka yake lakini nishati inaweza kupita na mwisho isolated system mipaka yake haipitishi nishati wala maada. Hivyo kwa kusema universe ni mfumo unaojitegemea (isolated system) vigezo vya mfumo huu vinazingatiwa katika kuangalia asili ya ulimwengu. Kama universe ni Open system au Closed system (uwezekano wa maada ama nishati kutoka nje ya system) basi explanation ya kutokea kwa universe inakuwa na tegemeo la chanzo cha nje (Mungu-muumbaji) ambacho wanaoamini kuhusu uumbaji wameshikilia msimamo huu. Wasioamini wanaegemea katika nadharia ya isolated system hakuna chanzo nje ya mipaka ya universe.

Kama tukiangalia posibility tatu ambazo zinatajwa  ndio za msingi kwa asili ya ulimwengu, maada (matter) ni sehemu moja katika ya vitu vinavyoufanya ulimwengu. maada ndio ile tunayoweza kuiona na kuipima kirahisi basi si budi kuangalia je maada inaweza kutokeaje. Kuna asili tatu zenye lojiki:

1. Kuumbwa (created)2. Kutokea wenyewe (a universe from nothing)3. Kuwepo tu milele (eternal universe)

Kwa isolated system, kanuni za thermodynamics hazikubaliani asilani kwenye nadharia hizi mbili za mwisho.

Universe from nothing? (Umetokea wenyewe hauna chanzo)

Kanuni za kifizikia hazina exceptions. Kama kuna exception ya aina yoyote hii haiwezi kuwa kanuni itabaki kuwa theory au pendekezo. Thermodynamics ni Laws, zimepita kwenye viwango vyote na hazina walakini.

Kwa kanuni za thermodynamics, Universe kama mfumo, una mass matter na energy. Bila nguvu kutoka nje, universe inakuwa mfumo unaojitegemea/uliofungwa (closed system) hamna kinachotoka wala kuingia katika mipaka yake na kama kuna chochote kinaingia basi tayari universe ni open system.

Tukisema universe katika wakati wowote ina dalili za kuingiza chochote katika mipaka yake basi hii ni open system na ndivyo wanaoamini uumbaji  wanasimamia. Lakini kama universe haina uwepo wa Muumbaji au Mungu unaopita katika ya mipaka yake basi logically universe ni closed system na Mungu ni ndani ya Universe hivyo ni vigumu kuwa chanzo.

Sasa kanuni ya kwanza ya thermodynamics inasema nishati liyoko katika closed system ni constant (ipo siku zote haiishi wala kuongezeka) ingawa inabadilika kutoka aina moja kwenda nyingine. Kwa hiyo kama universe ambayo ni closed system mwanzo wake haukuwa na chochote (nothing) hivyo mass, matter na energy vimekuja kutokea baadae from nothing - Hii ni kinyume kabisa na kanuni ya kwanza ya thermodynamics. Nothing can not produce something. Ndani ya closed system nishati haitengenezwi wala haiishi inabadilika form tu. (heat,  light, electric etc)

Universe eternally? (Haukuumbwa, upo milele)

Hii pia haikubaliani na kanuni za thermodynamics. Kama ulimwengu wote ukichukuliwa kama system ambayo imefungwa. Second Law of thermodynamics ambayo tumeona hapo juu kwamba nishati katika mfumo unaojitegemea haiishi lakini matumizi yake hubadilika na mwisho huwa huenda katika hali ya kutowezekana kutumika (less usable). Hivyo basi universe inapungua nishati inaweza kutumika na process hii kwa kawaida haijirudii (irreversible). Nishati inayoweza kutumika inaendelea kubadilika kuelekea kwenye kutoweza kutumika na hii ni katika kanuni ya pili ya thermodynamics na mabadiliko haya hayawezi kuzuiwa bali kupunguzwa kasi. 

Kama Universe ingekuwa ilikuwepo siku zote (eternal existed) lakini kumbuka kuwa nishati yenye matumizi ina ukomo hivyo ni wazi  ingekuwa imeshaisha na universe imezima na kubaki na nishati isiyofanya chochote na hakuna nyota hata moja ambayo ingekuwa inawaka (nuclear reactions) au activity yoyote ulimwenguni ambayo ni matokeo ya kuwepo nishati inayowezesha matukio ikiwemo kuwaka kwa jua na nyota zote. Kama maada imekuwepo milele njia logic moja tu inayofaa ni lazima universe iwe open system kwamba kuna input ya nishati kutoka nje ya universe na pia output ya usable energy. 

Kwa hiyo kulingana na kanuni hizi ambazo zinaheshimika na kukubalika pasipo na shaka Universe haiwezi kutokea yenyewe from nothing au ilikuwepo milele. Ikiwa hivyo basi kanuni hizi zimevunjwa na kwa kuwa tayari technologia nzima iliyopo na sheria nyingine muhimu sana pamoja na theories nyingi zilizojengwa kwa msingi huu wa thermodynamics laws zitavunjika pia. Kuna technolojia kubwa iliyopo ambayo inabebwa na misingi hii ya thermodynamics kama kanuni hizi zina walakini basi mashine na tekinojia hizi ambazo ni tegemeo katika maisha ya kawaida zisingekuwepo au zisingefanya kazi hivyo concept ya the universe from nothing inapata ugumu kupenyezwa kutokana na uthabiti wa kanuni hizi.

Hitimisho 

Kanuni hizi ambazo ni shina na msingi mkubwa wa engineering na maeneo mengi ya sayansi ni chanzo cha kazi nyingi za kiufundi na mashine nyingi sana ambazo zimerahisisha maisha ya binadamu kwa kiwango kikubwa sana. Engine zote, machines za aina na kila kitu kinachohusisha nishati ni mwendelezo wa kanuni hizi ambazo zimethibitishwa pengine kuliko ugunduzi mwingine wowote wa kisayansi na ndio maana ni Law na pia msingi muhimu wa sayansi.

Kanuni za Thermodynamics zinaendana na nadharia ya kuwapo kwa nguvu iliyoumba universe (universe was rather created) Kanuni hizi na haziendani na concept ya ulimwengu kutokea wenyewe (a universe from nothing) na ile ya ulimwengu ulikuwepo tu siku zote (eternal universe)

Kanuni hizi pia zinathibitisha uwepo wa design ya hali ya juu ya uumbaji au ambayo engineers wamejifunza kuitumia kwa kuiga katika kazi zao. Na kwa kuwa hizi kanuni zipo wala hazina ubishi basi ukizielewa utaona pia zinavyothibisha nguvu ya ziada iliyosababisha kuwepo kwa universe.

Sources:

Asimov, Isaac (1970), “In the Game of Energy and Thermodynamics You Can’t Even Break Even,” Smithsonian Institute Journal, pp. 4-10, June.

Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles (2002), Thermodynamics: An Engineering Approach (New York: McGraw-Hill), fourth edition.

Guth, Alan and Paul Steinhardt (1984), “The Inflationary Universe,” Scientific American, 250:116-128, May.

Incropera, Frank P. and David P. DeWitt (2002), Fundamentals of Heat and Mass Transfer (New York: John Wiley & Sons), fifth edition.

Isaak, Mark (2003), “Five Major Misconceptions about Evolution,” The 

Jastrow, Robert (1977), Until the Sun Dies (New York: W.W. Norton).

Jastrow, Robert (1978), God and the Astro­nomers (New York: W.W. Norton).

Kenny, Anthony (1980), The Five Ways: St. Thomas Aquinas’ Proofs of God’s Existence (South Bend, IN: University of Notre Dame Press).

King, A.L. (1962), Thermophysics (San Francisco, CA: W.H. Freeman).

Moran, Michael J. and Howard N. Shapiro (2000), Fundamentals of Engineering Thermodynamics(New York: John Wiley & Sons), fourth edition.

Rifkin, Jeremy (1980), Entropy: A New World View (New York: Viking).

Smith, Wilbur M. (1981), Therefore Stand (New Canaan, CT: Keats Publishing).

Thompson, Bert, Brad Harrub, and Branyon May (2003), “The Big Bang Theory—A Scientific Critique [Part 1],” Reason & Revelation, 23[5]:32-34,36-47.

Thompson, Silvanus P. (1910), Life of Lord Kelvin (London: Macmillan).

Tryon, Edward P. (1984), “What Made the World?,” New Scientist, 101:14-16, March 8.