Энтропия описывает, как происходит беспорядок в такой большой системе, как вселенная, или в маленьком термосе с кофе.
Вы не можете легко положить зубную пасту обратно в тюбик. Вы не можете ожидать, что молекулы пара самопроизвольно мигрируют вместе, образуя водный шар. Если вы выпустите кучу щенков корги в поле, очень маловероятно, что вы сможете собрать их всех вместе в ящик, не выполняя 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, которое не пропускает энергию внутрь или наружу.
Первый закон термодинамики связан с сохранением энергии - вы, наверное, помните, что слышали раньше, что энергия в закрытой системе остается постоянной («энергия не может быть ни создана, ни разрушена»), если она не подделана извне. Однако энергия постоянно меняет свои формы - огонь может превратить химическую энергию растения в тепловую и электромагнитную энергию. Батарея превращает химическую энергию в электрическую. Мир поворачивается, и энергия становится менее организованной.
«Второй закон термодинамики называется законом энтропии», - сказал нам по электронной почте Марко Попович, научный сотрудник по биотермодинамике в Школе естественных наук в Техническом университете Мюнхена. «Это один из самых важных законов в природе».
Энтропия - это мера беспорядка в замкнутой системе. Согласно второму закону, энтропия в системе почти всегда увеличивается с течением времени - вы можете выполнять работу по наведению порядка в системе, но даже работа по переупорядочению увеличивает беспорядок как побочный продукт - обычно в форме тепла. Поскольку мера энтропии основана на вероятностях, конечно, энтропия может иногда уменьшаться в системе, но это статистически очень маловероятно.
Определение расстройства
Труднее, чем вы думаете, найти систему, которая не выпускает и не выдает энергию - наша вселенная - такой же хороший пример, как и мы, - но энтропия описывает, как происходит беспорядок в такой большой системе, как вселенная или как маленький, как термос, полный кофе.
Однако энтропия не имеет отношения к тому типу расстройства, о котором вы думаете, когда запираете группу шимпанзе на кухне. Это больше связано с тем, сколько возможных перестановок можно сделать на этой кухне, а не с тем, насколько большой беспорядок возможен. Конечно, энтропия зависит от множества факторов: сколько там шимпанзе, сколько вещей хранится на кухне и насколько большая кухня. Итак, если вы посмотрите на две кухни - одну очень большую и укомплектованную жабрами, но тщательно очищенную, а другую - меньше, с меньшим количеством мелочей, но уже довольно затертую шимпанзе - заманчиво сказать, что в грязной комнате больше энтропия, но это не обязательно так. Энтропия больше заботится о том, сколько разных состояний возможно, чем о том, насколько она беспорядочная в данный момент следовательно, система обладает большей энтропией, если в ней больше молекул и атомов, и если она больше. И если есть больше шимпанзе.
Энтропия сбивает с толку
Энтропия может быть самой верной научной концепцией, которую понимают наименьшее количество людей. Концепция энтропии может быть очень запутанной - отчасти потому, что на самом деле существуют разные 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 такое энтропия на самом деле, поэтому в дискуссии всегда есть преимущество».
«Определить энтропию немного сложно», - говорит Попович. «Возможно, это лучше всего определить 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 варьироваться в зависимости от того, какая дисциплина владеет им в данный момент:
В середине 19-го века немецкий физик по имени Рудольф Клаузиус, один из основателей концепции термодинамики, работал над проблемой эффективности паровых двигателей и изобрел концепцию энтропии, чтобы помочь измерить бесполезную энергию, которая не может быть преобразована в полезная работа. Пару десятилетий спустя Людвиг Больцман (другой «основатель» энтропии) использовал эту концепцию для объяснения поведения огромного числа атомов: хотя 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 », - говорит Попович. «Например, один моль газа состоит из 6 х 1023 частиц. Таким образом, для нас невозможно описать движение каждой частицы, поэтому вместо этого мы делаем следующую лучшую вещь, определяя газ не через движение каждой частицы, а через свойства всех частиц вместе: температуру, давление Общая энергия. Информация, которую мы теряем при этом, 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 атомы здесь, чтобы принять. Ученые выдвинули гипотезу, что вскоре после того, как мы с вами уйдем, вселенная в конечном итоге 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.
Не забудь подписаться , дальше будет только интереснее!
