Второй закон термодинамики гласит, что в изолированной системе (которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом) полная энтропия никогда не убывает. Она либо возрастает, либо остается постоянной в идеализированных обратимых процессах. Энтропия - это мера беспорядка, неопределенности или "размазанности" энергии, то есть высокая энтропия равна высокой степени беспорядка - хаоса
Казалось бы, возникает логический парадокс - если все стремится к хаосу, росту энтропии (S), откуда тогда берутся такие упорядоченные, сложные и энергетически концентрированные объекты, как звезды и планеты. Отметим, что есть еще понятие энтальпии (H) - меры общей тепловой энергии системы, включая её внутреннюю энергию и энергию, затраченную на создание текущих условий. Прямая связь между ними проявляется в уравнении Гиббса (ΔG = ΔH - TΔS), которое определяет движущую силу процессов.
Ответ в том, что 2 закон термодинамики не запрещает локального возникновения порядка. Он требует лишь, чтобы общая энтропия всей системы (Вселенной) в процессе увеличилась. Исходный материал для звезд - гигантские, холодные, разреженные облака межзвездного газа и пыли, под действием собственной гравитации такое облако начинает сжиматься - именно роль гравитации является тут ключевой. В процессе сжатия мы наблюдаем огромный локальный рост порядка, при формировании протозвезды гравитационная энергия превращается в тепло. А куда же в таком случае девается избыточная энтропия, чтобы не нарушить 2 закон?
Когда протозвезда становится достаточно горячей, в ее ядре запускается термоядерный синтез (превращение водорода в гелий). Это "печь" звезды. Звезда излучает в окружающее пространство огромное количество фотонов (света, тепла). Эти фотоны, разлетаясь в холодную пустоту космоса, несут с собой колоссальную энтропию, что дает глобальный её рост во Вселенной. Образование упорядоченной звезды оплачивается рассеиванием в пространство еще большего количества энергии в виде излучения. Энтропия, унесенная излучением, значительно превышает уменьшение энтропии при формировании звезды. Гравитация - это сила, "инвертирующая" термодинамику, ведь в обычных условиях (без гравитации) система стремится к равномерному распределению вещества и температуры.
Планетные системы образуются из остатков протозвездного облака - диска. Частицы пыли в диске сталкиваются, слипаются, образуя планетезимали, а затем планеты. Формируются сферические тела, слоистая структура планет (ядро, мантия, кора) наблюдается очевидный рост локального порядка. Рост глобальной энтропии в мощном потоке излучения от молодой звезды, рассеяние энергии при столкновениях (в процессе чего выделяется тепло, которое затем излучается в космос). А также идёт процесс дифференциации недр молодых планет: когда тяжелые элементы (железо, никель) тонут к центру планеты, а легкие (силикаты) всплывают, выделяется гравитационная энергия - рассеивается в виде тепла.
Если представить себе обычную термодинамическую систему, лишенную гравитации - скажем, газ в ящике, - то её эволюция представляет собой классический путь к хаосу: частицы стремятся равномерно заполнить доступный объем, температуры выравниваются, градиенты исчезают, и система погружается в максимально однородное и беспорядочное состояние, соответствующее термодинамическому равновесию (всё по 2 закону термодинамики). Гравитация кардинально меняет эти правила, выступая как фундаментальная сила, создающая термодинамическую инверсию. Гравитация - единственная, кто способен эффективно концентрировать энергию, создавая локальные очаги экстремально низкой энтропии на фоне общего стремления космоса к беспорядку.
#энтропия #энтальпия #звезды #протопланетныйдиск #звезднаяэволюция