Вы не можете легко вернуть зубную пасту в тюбик. Вы не можете ожидать, что молекулы пара спонтанно мигрируют вместе, чтобы сформировать шар воды . Если вы выпустите кучу щенков корги в поле, маловероятно, что вы сможете собрать их всех вместе в ящик, не проделав кучу работы. Это проблемы, связанные со вторым законом термодинамики, также известным как закон энтропии.
Второй закон термодинамики
Термодинамика важна для различных научных дисциплин, от инженерных и естественных наук до 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, вероятно, помните, что раньше слышали, что энергия в замкнутой системе остается постоянной («энергия не может быть ни создана, ни уничтожена»), если в нее не вмешиваются извне. Однако энергия постоянно меняет форму - огонь может превратить химическую энергию растений в тепловую и электромагнитную энергию. Батарея превращает химическую энергию в электрическую. Мир поворачивается, и энергия становится менее организованной.
«Второй закон термодинамики называется законом энтропии», - сообщил нам в электронном письме Марко Попович, научный сотрудник биотермодинамики в Школе естественных наук Технического университета Мюнхена. «Это один из важнейших законов природы».
Энтропия - это мера беспорядка в замкнутой системе. Согласно второму закону, энтропия в системе почти всегда увеличивается с течением времени - вы можете выполнять работу по созданию порядка в системе, но даже работа, направленная на изменение порядка, увеличивает беспорядок как побочный продукт - обычно в виде тепла. Поскольку мера энтропии основана на вероятности, это, конечно, возможно для энтропии для уменьшения в системе по случаю, но это статистически очень маловероятно.
Определение расстройства
Сложнее, чем вы думаете, найти систему, которая не пропускает и не пропускает энергию - наша Вселенная является таким же хорошим примером, как и мы, - но энтропия описывает, как беспорядок случается в системе размером с Вселенную или в ней. маленький, как термос, полный кофе.
Однако энтропия не имеет ничего общего с типом беспорядка, о котором вы думаете, когда запираете стаю шимпанзе на кухне. Это больше связано с тем, сколько возможных вариантов беспорядка может быть сделано на этой кухне, а не с тем, насколько большой беспорядок возможен. Конечно, энтропия зависит от множества факторов: сколько есть шимпанзе, сколько вещей хранится на кухне и насколько велика кухня. Итак, если вы посмотрите на две кухни - одну очень большую и укомплектованную до самых жабр, но тщательно чистую, а другую, меньшую по размеру, с меньшим количеством вещей, но уже изрядно вытесанную шимпанзе, - соблазнительно сказать, что в более грязной комнате больше энтропия, но это не обязательно так. Энтропия больше касается того, сколько различных состояний возможно.чем то, насколько это беспорядочно в данный момент; система, следовательно, имеет больше энтропии, если в ней больше молекул и атомов, и если она больше. А если будет еще шимпанзе.
Энтропия сбивает с толку
Энтропия может быть самым верным научным понятием, которое на самом деле понимают немногие. Концепция энтропии может сбивать с толку - отчасти потому, что на самом деле существуют разные типы . Венгерский математик Джон фон Нейман посетовал на ситуацию следующим образом: «Кто бы ни использовал термин« энтропия »в дискуссии, всегда побеждает, поскольку никто не знает, что такое энтропия на самом деле, поэтому в дебатах всегда есть преимущество».
«Определить энтропию немного сложно, - говорит Попович. «Возможно, его 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 к системе означает, 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 применяет его в данный момент:
В середине XIX века немецкий физик Рудольф Клаузиус , один из основоположников концепции термодинамики, работал над проблемой эффективности паровых двигателей и изобрел концепцию энтропии, чтобы помочь измерить бесполезную энергию, которую нельзя преобразовать в полезная работа. Пару десятилетий спустя Людвиг Больцманн (другой «основатель» энтропии) использовал эту концепцию для объяснения поведения огромного числа 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 Е.Т. Джейнс интерпретировал энтропию как информацию, которую мы упускаем для определения движения всех частиц в системе», - говорит Попович. «Например, один моль газа состоит из 6 x 10 23 частиц. Таким образом, для нас невозможно описать движение каждой частицы, поэтому вместо этого мы делаем следующее лучшее, что определяем газ не через движение каждая частица, но благодаря свойствам всех частиц вместе взятых: температуре, давлению, общей энергии. Информация, которую мы теряем, когда это делаем, называется энтропией ».
И ужасающая концепция «тепловой смерти Вселенной» была бы невозможна без энтропии. Поскольку наша Вселенная, скорее всего, начиналась как сингулярность - бесконечно малая упорядоченная точка энергии - которая раздувалась и продолжает расширяться все время, энтропия в нашей Вселенной постоянно растет, потому что там больше места и, следовательно, больше потенциальных состояний беспорядка для атомы здесь, чтобы принять. Ученые выдвинули гипотезу, что спустя много времени после того, как мы с вами уйдем, Вселенная в конечном итоге достигнет некоторой точки максимального беспорядка, в этот момент все будет иметь одинаковую температуру, без каких-либо очагов порядка (таких как звезды и шимпанзе).
И если это произойдет, мы будем благодарить за это энтропию.
Вот это интересно
Ученый двадцатого века сэр Артур Эддингтон считал понятие энтропии настолько важным для науки, что написал в книге «Природа физического мира» в 1928 году: «Я думаю, что закон, согласно которому энтропия всегда увеличивается, занимает высшее положение среди законов природы. ... Если окажется, что ваша теория противоречит Второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; ей не на что рухнуть в глубочайшем унижении ".
