Nie można łatwo włożyć pasty z powrotem do tubki. Nie możesz oczekiwać, że cząsteczki pary spontanicznie migrują z powrotem, tworząc kulę wody . Jeśli wypuścisz kilka szczeniąt corgi na pole, jest bardzo mało prawdopodobne, że będziesz w stanie zebrać je wszystkie z powrotem do skrzyni bez wykonywania mnóstwa pracy. Są to problemy związane z Drugą Zasadą Termodynamiki, znaną również jako Prawo Entropii.
Druga zasada termodynamiki
Termodynamika jest ważna dla różnych dyscyplin naukowych, od inżynierii, przez nauki przyrodnicze, po chemię, fizykę, a nawet ekonomię. System termodynamiczny to ograniczona przestrzeń, która nie wpuszcza ani nie wypuszcza energii.
Pierwsza zasada termodynamiki dotyczy zachowania energii - zapewne pamiętasz, że słyszałeś wcześniej, że energia w układzie zamkniętym pozostaje stała („energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć”), chyba że manipuluje się nią z zewnątrz. Jednak energia stale zmienia formy - pożar może zamienić energię chemiczną z rośliny w energię cieplną i elektromagnetyczną. Bateria zamienia energię chemiczną w energię elektryczną. Świat się kręci, a energia staje się mniej zorganizowana.
„Drugie prawo termodynamiki nazywa się prawem entropii” , powiedział nam w e-mailu Marko Popovic, badacz z tytułem doktora biotermodynamiki w School of Life Sciences na Politechnice w Monachium. „Jest to jedno z najważniejszych praw natury”.
Entropia jest miarą zaburzenia w systemie zamkniętym. Zgodnie z drugim prawem, entropia w systemie prawie zawsze rośnie w czasie - możesz wykonać pracę, aby stworzyć porządek w systemie, ale nawet praca włożona w zmianę kolejności zwiększa nieporządek jako produkt uboczny - zwykle w postaci ciepła. Ponieważ miara entropii opiera się na prawdopodobieństwach, jest oczywiście możliwe, że entropia od czasu do czasu maleje, ale jest to statystycznie mało prawdopodobne.
Definicja zaburzenia
Trudniej, niż myślisz, znaleźć system, który nie wypuszcza ani nie wpuszcza energii - nasz wszechświat jest tak dobrym przykładem, jak my - ale entropia opisuje, jak nieporządek zachodzi w systemie tak dużym jak wszechświat. mały jak termos pełen kawy.
Jednak entropia nie ma nic wspólnego z typem zaburzenia, o jakim myślisz, kiedy zamykasz w kuchni grupę szympansów. Ma to więcej wspólnego z tym, ile możliwych permutacji bałaganu można zrobić w tej kuchni, a nie jak duży jest możliwy bałagan. Oczywiście entropia zależy od wielu czynników: ile jest szympansów, ile rzeczy jest przechowywanych w kuchni i jak duża jest kuchnia. Tak więc, gdybyś spojrzał na dwie kuchnie - jedną bardzo dużą i zaopatrzoną po brzegi, ale skrupulatnie czystą, i drugą mniejszą z mniejszą ilością rzeczy, ale już dość zniszczoną przez szympansy - kusi stwierdzenie, że w brudnym pokoju jest więcej entropia, ale niekoniecznie tak jest. Entropia zajmuje się bardziej tym, ile różnych stanów jest możliwychniż to, jak bardzo nieuporządkowane jest to w tej chwili; Dlatego system ma większą entropię, jeśli jest w nim więcej cząsteczek i atomów i jeśli jest większy. A jeśli jest więcej szympansów.
Entropia jest myląca
Entropia może być najprawdziwszą koncepcją naukową, którą naprawdę niewielu ludzi rozumie. Pojęcie entropii może być bardzo zagmatwane - częściowo dlatego, że w rzeczywistości istnieją różne typy . Węgierski matematyk John von Neumann ubolewał nad tą sytuacją w ten sposób: „Kto używa terminu„ entropia ”w dyskusji, zawsze wygrywa, ponieważ nikt nie wie, czym naprawdę jest entropia, więc w debacie zawsze ma przewagę”.
„Trochę trudno jest zdefiniować entropię” - mówi Popovic. "Być może najlepiej jest zdefiniować to jako nieujemną właściwość termodynamiczną, która reprezentuje część energii układu, której nie można przekształcić w użyteczną pracę. Zatem każde dodanie energii do układu oznacza, że część energii zostanie przekształcona w entropię, zwiększając nieporządek w systemie. Zatem entropia jest miarą nieuporządkowania systemu ”.
Ale nie czuj się źle, jeśli jesteś zdezorientowany: definicja może się różnić w zależności od tego, która dyscyplina w danym momencie ją używa:
W połowie XIX wieku niemiecki fizyk Rudolph Clausius , jeden z twórców koncepcji termodynamiki, pracował nad problemem dotyczącym sprawności maszyn parowych i wymyślił pojęcie entropii, aby pomóc w pomiarze energii bezużytecznej, której nie można przekształcić w użyteczna praca. Kilkadziesiąt lat później Ludwig Boltzmann (inny „założyciel” entropii) wykorzystał tę koncepcję do wyjaśnienia zachowania ogromnej liczby atomów: chociaż niemożliwe jest opisanie zachowania każdej cząstki w szklance wody, nadal można przewidzieć ich zbiorowe zachowanie, gdy są ogrzewane za pomocą wzoru na entropię.
„W latach sześćdziesiątych XX wieku amerykański fizyk ET Jaynes zinterpretował entropię jako informację, której brakuje nam do określenia ruchu wszystkich cząstek w układzie” - mówi Popovic. Na przykład, jeden mol gazu składa się z 6 x 10 23 cząsteczek. Dlatego dla nas nie jest możliwe opisanie ruchu każdej cząstki, więc zamiast tego robimy następną najlepszą rzecz, definiując gaz, a nie przez ruch każdą cząstkę, ale poprzez właściwości wszystkich połączonych cząstek: temperaturę, ciśnienie, całkowitą energię. Informacje, które tracimy, gdy to robimy, są określane jako entropia. "
A przerażająca koncepcja „śmierci cieplnej wszechświata” nie byłaby możliwa bez entropii. Ponieważ nasz wszechświat najprawdopodobniej zaczął się jako osobliwość - nieskończenie mały, uporządkowany punkt energii - który rozdęł się i rozszerza przez cały czas, entropia stale rośnie w naszym wszechświecie, ponieważ jest więcej miejsca, a zatem więcej potencjalnych stanów nieporządku dla atomy tutaj do zaadoptowania. Naukowcy postawili hipotezę, że długo po tym, jak ty i ja odejdziemy, wszechświat w końcu osiągnie punkt maksymalnego nieładu, w którym wszystko będzie miało tę samą temperaturę i nie będzie można znaleźć żadnych kieszeni porządku (takich jak gwiazdy i szympansy).
A jeśli to się stanie, będziemy musieli za to podziękować entropii.
Teraz to jest interesujące
XX-wieczny naukowiec Sir Arthur Eddington uważał, że pojęcie entropii jest tak ważne dla nauki, że napisał w The Nature of the Physical World w 1928 roku: „Myślę, że prawo, które zwiększa entropię, zajmuje, jak sądzę, najwyższą pozycję wśród praw Natury. ... Jeśli okaże się, że twoja teoria jest sprzeczna z Drugim Prawem Termodynamiki, nie mogę dać ci żadnej nadziei; nie ma nic, co mogłoby zapaść się w najgłębszym upokorzeniu. "
