Напомню, что второй закон термодинамики в понятном изложении формулируется очень просто - самопроизвольное изменение направления процесса невозможно. Его ещё называют законом энтропии и говорят, что энтропия в замкнутой системе всегда возрастает, а это и подразумевает неизбежное остывание горячего чайника.
Если энергия распространяется из точки пространства (представьте себе расширяющийся газ), изменение энтропии процесса положительно. Если энергия сжимается и скапливается в области пространства, то изменение энтропии отрицательно. Если нет распространения энергии, процесс имеет нулевое изменение энтропии .
Таким образом, мы можем сказать, что энтропия прямо пропорциональна количеству энергии или тепла в системе.
Энтропия сама по себе говорит нам о количестве конфигураций каждой частицы в системе. Каждая из этих конфигураций называется микросостоянием . Чем больше энтропия, тем больше количество конфигураций частиц, тем более «случайным» является состояние. Изменение энтропии говорит нам, насколько изменилось число микросостояний или насколько сильно произошла рандомизация в системе.
Существует лишь несколько микросостояний, в которых частицы связаны и статичны. Но есть огромное количество микросостояний, в которых частицы свободны и движутся, благодаря своему положению.
Каждая частица может находиться в любом месте, поэтому комбинации всех частиц в каждой позиции в системе намного выше, чем конфигурации, в которых все частицы застряли, слиплись или связаны друг с другом в тесном пространстве. Из всего пространства, если частицы собираются в фиксированную жесткую конструкцию, они имеют ограниченную свободу двигаться туда, куда хотят. В этом случае они имеют фиксированные позиции.
Если рассмотреть первую картинку на схеме и посмотреть на пространство как на сетку позиций или матрицу, то одна частица может присутствовать в любой из 25 позиций только из, может быть, сотен тысяч позиций в пространстве. Должна быть какая-то сила, удерживающая их вместе.
На втором рисунке частицы находятся в случайных местах. Это значит, что они могут занимать любые положения в пространстве. Вероятность найти группу частиц, сгруппированных без какой-либо силы, удерживающей их в таком положении, таким образом, очень мала. Количество ситуаций, в которых они автоматически объединяются, настолько меньше, поэтому природа больше любит беспорядок.
Давайте для примера возьмем чашку чая. Мы все знаем, как его остудить, если он слишком горячий. Да, вы угадали. Перелейте его из одной чашки в другую с высоты. По сути, когда вы наливаете напиток, когда между чашками большое расстояние, изменение конфигурации частиц напитка происходит внезапно и необратимо. Не существует способа вернуть точную конфигурацию частиц. На самом деле вероятность того, что частицы напитка сохранят свое точно такое же положение при переходе между двумя чашками, настолько мала, что мы говорим, что она равна нулю. Это пример необратимого процесса.
Каждый раз, когда наливается напиток, конфигурация многократно рандомизируется. Частицы получают и теряют энергию, благодаря средней температуре напитка и гравитационной энергии, которую мы обеспечиваем, поднимая чашки в воздух. В то время как гравитационная энергия изменчива, то есть может увеличиваться и уменьшаться за счет изменения положения чашек, тепловая энергия не может быть увеличена, если вы ее не нагреете, и, ну, это просто глупо, потому что мы пытаемся выпить напиток, а он уже слишком горячий. Кто в здравом уме будет нагревать уже горячий напиток?
В любом случае, тепло из чашки рассеивается, пока ее переливают из одной чашки в другую, потому что, когда частицы напитка сталкиваются с молекулами воздуха, последние поглощают много энергии и возбуждаются, в то время как первые охлаждаются и падают в другую чашку. И поскольку воздух является газом, всей этой энергии сложнее собраться вместе и вернуться в напиток, потому что этот процесс включает конфигурации частиц газа, которые примерно одни на миллион. Частицы газа уже возбуждены и быстро движутся от окружающего тепла, а энергия, которую они получили от напитка, просто придала им больше энергии, чтобы убежать. Вероятность того, что газ отдаст обратно энергию, которую он получил от частиц напитка, настолько мала, что этого просто не происходит.
Природа следует вероятности. Каждый шаг в этом процессе наливания напитка нагревает окружающий воздух, и тепловая энергия теряется. Потеря энергии не так уж велика, поэтому нам приходится повторять это снова и снова, пока не будет достигнуто равновесие, т. е. баланс между температурой напитка и его окружения.
Таким образом, изменение энтропии в этом процессе положительно, и число микросостояний увеличилось, поскольку стало больше конфигураций, которые могут принять частицы газа с энергией, полученной от частиц напитка. Хотя число конфигураций, которые могут принять частицы напитка, уменьшилось из-за меньшей энергии для перемещения из-за потери тепла частицами газа, чистое изменение числа микросостояний положительно, поскольку частицы газа уже более случайны, т. е. они уже могут свободно перемещаться друг между другом. Следовательно, они могут принять гораздо большее число микросостояний, чем частицы напитка.
Когда мы пытаемся медленно и с небольшого расстояния по высоте разлить напиток по чашкам, происходит значительно меньшая потеря тепла. Почему, так?
Между чашками не так много места для рассеивания тепла в воздухе, и поскольку изменение происходит очень медленно, мы можем сказать, что конфигурации частиц могут быть сохранены. Хотя в этом примере этого не происходит, в процессах или реакциях, которые происходят очень медленно, под медленными я подразумеваю миллионы лет - медленно, конфигурации положения каждой частицы не сильно меняются, следовательно, происходит очень незначительная диффузия энергии в окружающую среду. Ну и энтропия в этом процессе равна нулю. Этот вид процесса называется обратимым процессом, в котором вы просто не можете увидеть происходящие изменения. Без часов и без способа определить время, глядя на микросостояния частиц, вы просто не можете определить изменение энтропии.
Все процессы в действительности необратимы по своей природе, а некоторые из них занимают чрезвычайно много времени, поэтому мы их условно называем обратимыми.
Энтропия Вселенной постоянно увеличивается "в надежде", что все тепло станет однородным и придет в равновесие.
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!