Вы не можете легко засунуть зубную пасту обратно в тюбик. А если вы выпустите кучу щенков шпица в поле, маловероятно, что вам удастся собрать их всех обратно, не проделав при этом 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 концепция изолированной системы — это замкнутое пространство, не пропускающее энергию ни внутрь, ни наружу.
Первый закон термодинамики связан с сохранением энергии.
Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, как предписывает закон сохранения энергии
Энергия в закрытой системе остается постоянной, если только она не подвергается вмешательству извне. Однако энергия постоянно меняет формы — пожар может превратить химическую энергию дерева в тепловую и электромагнитную энергию. 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.
Термодинамическая энтропия является мерой беспорядка в закрытой системе. Согласно второму закону, когда энтропия увеличивается, обычно возрастает и внутренняя энергия. Если ее каким-то образом не использовать, эта тепловая энергия рассеивается. Поскольку мера энтропии основана на вероятностях, энтропия, конечно, может время от времени уменьшаться в системе, но это статистически очень маловероятно.
Определение беспорядка
Труднее, чем вы думаете, найти систему, которая не выпускает и не пропускает энергию — наша Вселенная является хорошим примером этого — но энтропия описывает, как происходит беспорядок в системе, такой большой, как Вселенная, или такой маленькой, как термос с кофе. Эту тенденцию к рассеиванию энергии часто обозначают термином «Температура Т» .
В последнем примере термодинамическая энтропия увеличивается, когда в термос наливают горячий кофе. Когда эта тепловая энергия постепенно уменьшается, это фактически еще одно увеличение энтропии, поскольку передача тепла распространяется за пределы термоса. В конце концов, термос достигнет теплового равновесия, при котором температура термоса останется постоянной с температурой окружающей среды.
Однако энтропия не имеет ничего общего с тем типом беспорядка, о котором вы думаете, когда запираете слона на кухне. Это больше связано с тем, сколько возможных вариантов беспорядка можно создать на кухне, а не с тем, насколько большой беспорядок возможен. Конечно, энтропия зависит от множества факторов: количество слонов, сколько вещей хранится на кухне и насколько она велика.
Итак, если вы посмотрите на две кухни — одну очень большую, забитую до отказа, но идеально чистую, а другую, поменьше, с меньшим количеством вещей, но уже изрядно разгромленную слонами, — возникает соблазн сказать, что в более грязной комнате больше энтропия, но это не обязательно так.
Энтропия — это больше о том, сколько различных состояний возможно, чем насколько она неупорядочена в данный момент. Таким образом, система имеет больше энтропии, если в ней больше молекул и атомов и если она больше. Ну и если вдобавок там есть много слонов.
Энтропия сбивает с толку
Энтропия, возможно, является самой истинной научной концепцией, которую на самом деле понимают лишь немногие люди. Понятие энтропии может сбивать с толку — отчасти потому, что на самом деле существуют разные ее типы. Есть отрицательная энтропия, избыточная энтропия, системная энтропия, полная энтропия, максимальная энтропия и нулевая энтропия — и это лишь некоторые из них!
Определить энтропию немного сложно. Возможно, ее лучше всего определить как неотрицательное термодинамическое свойство, которое представляет собой часть энергии системы, которую нельзя преобразовать в полезную работу. Таким образом, любое добавление энергии к системе подразумевает, что часть энергии будет преобразована в энтропию, увеличивая беспорядок в системе. Таким образом, энтропия является мерой беспорядка системы.
Как распространяется слово «энтропия»
Но не расстраивайтесь, если вы запутались: определение может варьироваться в зависимости от того, какая дисциплина его использует в данный момент. В середине 19-го века немецкий физик Рудольф Клаузиус, один из основателей концепции термодинамики, работал над проблемой эффективности паровых двигателей и изобрел концепцию энтропии, чтобы помочь измерить бесполезную энергию, которую нельзя преобразовать в полезную работу.
Пару десятилетий спустя Людвиг Больцман (другой «основатель энтропии») использовал эту концепцию для объяснения поведения огромного количества атомов: хотя невозможно описать поведение каждой частицы в стакане воды, все же можно предсказать их коллективное поведение при нагревании с использованием формулы энтропии.
В 1960-х годах американский физик Э.Т. Джейнс интерпретировал энтропию как информацию, которую нам не хватает для определения движения всех частиц в системе. Например, один моль газа состоит из 6 х 10 в 23 степени частиц. Таким образом, для нас невозможно описать движение каждой частицы, поэтому вместо этого мы определяем газ не через движение каждой частицы, а через свойства всех частиц вместе взятых: температуру, давление, полную энергию. Информация, которую мы теряем при этом, называется энтропией.
Низкая энтропия — не всегда обратимый процесс
Наконец, ужасающая концепция тепловой смерти Вселенной была бы невозможна без энтропии. Поскольку наша Вселенная, скорее всего, возникла как сингулярность — бесконечно малая упорядоченная точка энергии, которая раздулась и продолжает все время расширяться, энтропия в нашей Вселенной постоянно растет. В конце концов, здесь больше места и, следовательно, больше потенциальных состояний беспорядка, которые могут принять атомы.
Ученые выдвинули гипотезу, что спустя долгое время Вселенная в конечном итоге достигнет некоторой точки максимального беспорядка, и в этот момент все будет иметь одинаковую температуру, и не будет обнаружено никаких очагов порядка. Вся Вселенная достигнет самой низкой ступени шкалы абсолютной температуры, где молекулярное движение вообще минимально. И если это произойдет, мы будем «благодарны» за это энтропии.
Поддержите статью лайком, если было интересно 👍
Делитесь своим мнением в комментариях 💬
Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые интересные статьи 💥