Физика

Энтропия: невидимая сила, которая вносит беспорядок во вселенную

Невозможно легко поместить зубную пасту обратно в тюбик. Нельзя ожидать, что молекулы пара самопроизвольно объединятся, образуя водяной шар. Если выпустить кучу щенков корги в поле, очень маловероятно, что вы сможете собрать их всех вместе в коробку, не выполнив тонны работы. Это проблемы, связанные со Вторым Законом Термодинамики, также известным как Закон Энтропии.

Второй закон термодинамики

Термодинамика важна для различных научных дисциплин, от инженерии до естественных наук, химии, физики и даже экономики. Термодинамическая система — это замкнутое пространство, не впускающее и не выпускающее энергию.

Первый закон термодинамики связан с сохранением энергии — вы, наверное, слышали, что энергия в замкнутой системе остаётся постоянной («энергия не может быть ни создана, ни уничтожена»), если только она не поступает извне. Однако энергия постоянно меняется — огонь может превратить химическую энергию растения в тепловую и электромагнитную. Батарея превращает химическую энергию в электрическую. Мир меняется, и энергия становится менее организованной.

Второй закон термодинамики называется законом энтропии. Это один из важнейших законов природы.

Энтропия — это мера беспорядка в закрытой системе. Согласно второму закону, энтропия в системе почти всегда увеличивается с течением времени — можно сделать работу по созданию порядка в системе, но даже работа, которая вкладывается в переупорядочивание, увеличивает беспорядок, как побочный продукт — как правило, в виде тепла. Поскольку мера энтропии основана на вероятностях, то, конечно, она в системе иногда может уменьшаться, но это статистически очень маловероятно.

Определение хаоса

Труднее, чем можно было бы подумать, найти систему, которая не выпускает энергию — наша вселенная является таким же хорошим примером, как и мы — но энтропия описывает, как беспорядок формируется в системе, такой же большой, как вселенная, или такой же маленькой, как термос, полный кофе.

Однако энтропия не имеет отношения к тому типу хаоса, о котором вы думаете, когда запираете кучу шимпанзе на кухне. Это имеет больше отношение к тому, сколько беспорядка может быть сделано на этой кухне, чем к тому, насколько большой беспорядок возможен. Конечно, энтропия зависит от многих факторов: сколько шимпанзе, сколько вещей хранится на кухне и насколько большая кухня. Итак, если вы посмотрите на две кухни — одну очень большую и укомплектованную, но тщательно очищенную, а другую — меньше, с меньшим количеством мелочей, но уже подвергнутую воздействию шимпанзе — заманчиво сказать, что в грязной комнате больше энтропия, но это необязательно так. Энтропия больше заботится о том, сколько разных состояний возможно, чем о том, насколько она беспорядочна в данный момент; следовательно, система обладает большей энтропией, если в ней больше молекул и атомов. И если есть больше шимпанзе.

Энтропия сбивает с толку

Энтропия может быть самой верной научной концепцией, которую на самом деле понимают немногие. Концепция энтропии может быть очень запутанной — отчасти потому, что на самом деле существуют разные ее типы. Венгерский математик Джон фон Нейман сетовал на ситуацию таким образом: «Тот, кто использует термин энтропия в дискуссии, всегда побеждает, поскольку никто не знает, что это такое на самом деле, поэтому в дискуссии у него всегда есть преимущество. Возможно, это лучше всего определить ее как неотрицательное термодинамическое свойство, которое представляет собой часть энергии системы, которая не может быть преобразована в полезную работу. Таким образом, любое добавление энергии в систему подразумевает, что часть энергии будет преобразована в энтропию, увеличивая беспорядок в системе. Таким образом, энтропия является мерой беспорядка системы «.

Но не расстраивайтесь, если вы запутались: определение может меняться в зависимости от того, какая дисциплина использует его в данный момент: в середине 19-го века немецкий физик по имени Рудольф Клаузиус, один из основоположников концепции термодинамики, работал над проблемой эффективности паровых двигателей и придумал концепцию энтропии, чтобы помочь измерить бесполезную энергию, которая не может быть преобразована в полезную работу.

Пару десятилетий спустя Людвиг Больцман (другой «основатель» энтропии) использовал ее для объяснения поведения огромного числа атомов: даже если невозможно описать поведение каждой частицы в стакане воды, все еще можно предсказать их коллективное поведение, когда они нагреваются с помощью формулы для энтропии.

В 1960-х годах американский физик Э.Т. Джейнс интерпретировал энтропию как информацию, которую мы упускаем, чтобы определить движение всех частиц в системе. «Например, один моль газа состоит из 6 × 10 в 23 степени частиц. Таким образом, для нас невозможно описать движение каждой частицы, поэтому вместо этого мы делаем следующую вещь, определяя газ не через движение каждой частицы», а через свойства всех частиц в совокупности: температура, давление, полная энергия. Информация, которую мы теряем, когда мы делаем это, называется энтропией «. И ужасающая концепция «тепловой смерти вселенной» была бы невозможна без энтропии. Поскольку наша вселенная, скорее всего, начиналась как особенность — бесконечно малая, упорядоченная точка энергии — которая раздувалась и продолжает расширяться все время, энтропия постоянно растет в нашей вселенной, потому что есть больше места и, следовательно, больше потенциальных состояний беспорядка для атомов.

Ученые выдвинули гипотезу, что вскоре после того, как мы с вами уйдем, вселенная в конце концов достигнет некоторой точки максимального беспорядка, и в этот момент все будет иметь одинаковую температуру, без каких-либо очагов порядка (например, звезд и шимпанзе). И если это произойдет, мы будем благодарить за это энтропию.

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Ученый двадцатого века Сэр Артур Эддингтон считал понятие энтропии настолько важным для науки, что в 1928 году он написал в книге «природа физического мира»: «закон, согласно которому энтропия всегда возрастает, занимает, я думаю, самое высокое положение среди законов природы…. Если ваша теория окажется противоречащей второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; нет ничего такого, что могло бы разрушить ее в глубочайшем унижении.»

Источник: https://science.howstuffworks.com/entropy.htm

Подпишитесь на уведомления о новых статьях через форму ниже

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

16 − семь =