คุณไม่สามารถใส่ยาสีฟันกลับเข้าไปในหลอดได้ง่ายๆ คุณไม่สามารถคาดหวังว่าโมเลกุลของไอน้ำจะโยกย้ายกลับมารวมกันเป็นลูกบอลน้ำได้ตามธรรมชาติ หากคุณปล่อยลูกสุนัขคอร์กี้จำนวนหนึ่งลงสนามเป็นไปได้ยากมากที่คุณจะสามารถนำพวกมันกลับมารวมกันเป็นลังได้โดยไม่ต้องทำงานหนัก นี่คือปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์หรือที่เรียกว่ากฎของเอนโทรปี
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
อุณหพลศาสตร์มีความสำคัญต่อสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ต่างๆตั้งแต่วิศวกรรมศาสตร์วิทยาศาสตร์ธรรมชาติไปจนถึงเคมีฟิสิกส์และแม้แต่เศรษฐศาสตร์ ระบบอุณหพลศาสตร์เป็นพื้นที่ จำกัด ซึ่งไม่ปล่อยให้พลังงานเข้าหรือออกจากมัน
กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการอนุรักษ์พลังงานคุณคงจำได้ว่าเคยได้ยินมาก่อนว่าพลังงานในระบบปิดยังคงคงที่ ("พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้") เว้นแต่จะถูกดัดแปลงจากภายนอก อย่างไรก็ตามพลังงานมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบอยู่ตลอดเวลา - ไฟสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีจากพืชให้เป็นพลังงานความร้อนและแม่เหล็กไฟฟ้าได้ แบตเตอรี่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า โลกหมุนและพลังงานน้อยลง
"กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เรียกว่ากฎหมายเอนโทรปี" Marko Popovic นักวิจัยหลังปริญญาเอกด้าน Biothermodynamics ในSchool of Life Sciencesที่มหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิกบอกเราทางอีเมล "มันเป็นกฎที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในธรรมชาติ"
เอนโทรปีเป็นการวัดความผิดปกติในระบบปิด ตามกฎข้อที่สองเอนโทรปีในระบบมักจะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป - คุณสามารถทำงานเพื่อสร้างลำดับในระบบได้ แต่งานที่นำไปจัดลำดับใหม่จะเพิ่มความผิดปกติเป็นผลพลอยได้ - โดยปกติจะอยู่ในรูปของความร้อน เนื่องจากการวัดเอนโทรปีขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นแน่นอนว่าเป็นไปได้ที่เอนโทรปีจะลดลงในระบบในบางครั้ง แต่ก็ไม่น่าเป็นไปได้มากในทางสถิติ
คำจำกัดความของความผิดปกติ
มันยากกว่าที่คุณคิดที่จะหาระบบที่ไม่ปล่อยพลังงานออกมาหรือในจักรวาลของเราเป็นตัวอย่างที่ดีเท่าที่เรามี - แต่เอนโทรปีอธิบายว่าความผิดปกติเกิดขึ้นในระบบที่ใหญ่เท่ากับจักรวาลหรือ เล็กเท่ากระติกน้ำร้อนที่เต็มไปด้วยกาแฟ
อย่างไรก็ตามเอนโทรปีไม่เกี่ยวข้องกับประเภทของความผิดปกติที่คุณคิดเมื่อคุณขังลิงชิมแปนซีไว้ในห้องครัว มันมีมากขึ้นจะทำอย่างไรกับพีชคณิตเป็นไปได้หลายวิธีของระเบียบสามารถทำได้ในห้องครัวที่มากกว่าวิธีการที่มีขนาดใหญ่เป็นระเบียบเป็นไปได้ แน่นอนว่าเอนโทรปีนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ได้แก่ ลิงชิมแปนซีมีกี่ตัวเก็บของไว้ในครัวมากแค่ไหนและห้องครัวใหญ่แค่ไหน ดังนั้นหากคุณลองดูห้องครัว 2 ห้องห้องหนึ่งมีขนาดใหญ่มากและเก็บไว้ที่เหงือก แต่สะอาดอย่างพิถีพิถันและอีกห้องหนึ่งมีขนาดเล็กกว่าและมีของน้อยอยู่ในนั้น แต่ลิงชิมแปนซีก็ถูกขยะไปแล้ว - มันน่าดึงดูดที่จะบอกว่าห้องที่ยุ่งเหยิงมีมากกว่านี้ เอนโทรปี แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นเช่นนั้น เอนโทรปีกังวลกับตัวเองมากขึ้นว่าจะมีสถานะต่างๆได้อย่างไรกว่าที่มันเป็นระเบียบในขณะนี้; ดังนั้นระบบจึงมีเอนโทรปีมากขึ้นหากมีโมเลกุลและอะตอมอยู่ในนั้นมากขึ้นและถ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น และหากมีชิมแปนซีมากขึ้น
เอนโทรปีสับสน
เอนโทรปีอาจเป็นแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่แท้จริงที่มีคนเข้าใจน้อยที่สุด แนวคิดของเอนโทรปีสามารถมากสับสน - ส่วนหนึ่งเป็นเพราะมีจริงชนิดที่แตกต่างกัน จอห์นฟอนนอยมันน์นักคณิตศาสตร์ชาวฮังการีคร่ำครวญถึงสถานการณ์ดังกล่าว: "ใครก็ตามที่ใช้คำว่า 'เอนโทรปี' ในการอภิปรายจะชนะเสมอเนื่องจากไม่มีใครรู้ว่าเอนโทรปีคืออะไรดังนั้นในการถกเถียงกันย่อมได้เปรียบเสมอ"
"การกำหนดเอนโทรปีเป็นเรื่องยากเล็กน้อย" โปโปวิชกล่าว "บางทีมันอาจถูกกำหนดให้เป็นคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่ไม่เป็นลบซึ่งแสดงถึงพลังงานส่วนหนึ่งของระบบที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์ได้ดังนั้นการเพิ่มพลังงานใด ๆ ให้กับระบบหมายความว่าส่วนหนึ่งของพลังงานจะถูกเปลี่ยนรูป กลายเป็นเอนโทรปีเพิ่มความผิดปกติในระบบดังนั้นเอนโทรปีจึงเป็นตัวชี้วัดความผิดปกติของระบบ "
แต่อย่ารู้สึกแย่ถ้าคุณสับสนคำจำกัดความอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าวินัยใดที่ใช้มันในขณะนี้:
ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อรูดอล์ฟคลาซิอุสซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งแนวคิดอุณหพลศาสตร์กำลังดำเนินการแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพในเครื่องจักรไอน้ำและได้คิดค้นแนวคิดของเอนโทรปีเพื่อช่วยในการวัดพลังงานที่ไร้ประโยชน์ซึ่งไม่สามารถแปลงเป็น งานที่มีประโยชน์ สองสามทศวรรษต่อมาลุดวิกโบลต์ซมันน์ ("ผู้ก่อตั้ง" คนอื่นของเอนโทรปี) ใช้แนวคิดนี้เพื่ออธิบายพฤติกรรมของอะตอมจำนวนมหาศาลแม้ว่าจะไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมของทุกอนุภาคในแก้วน้ำได้ แต่ก็ยังสามารถทำนายได้ พฤติกรรมโดยรวมของพวกเขาเมื่อถูกทำให้ร้อนโดยใช้สูตรสำหรับเอนโทรปี
"ในทศวรรษที่ 1960 ET Jaynesนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันตีความเอนโทรปีว่าเป็นข้อมูลที่เราพลาดที่จะระบุการเคลื่อนที่ของอนุภาคทั้งหมดในระบบ" โปโปวิชกล่าว "ตัวอย่างเช่นหนึ่งโมลของก๊าซประกอบด้วย 6 x 10 23อนุภาคดังนั้นสำหรับเรามันเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ของแต่ละอนุภาคดังนั้นเราจะทำสิ่งที่ดีที่สุดถัดไปโดยการกำหนดก๊าซไม่ผ่านการเคลื่อนที่ของ แต่ละอนุภาค แต่ผ่านคุณสมบัติของอนุภาคทั้งหมดที่รวมกัน: อุณหภูมิความดันพลังงานทั้งหมดข้อมูลที่เราสูญเสียไปเมื่อเราทำสิ่งนี้เรียกว่าเอนโทรปี "
และแนวคิดที่น่าสะพรึงกลัวของ "การตายด้วยความร้อนของจักรวาล" จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีเอนโทรปี เนื่องจากจักรวาลของเราส่วนใหญ่เริ่มต้นจากการเป็นเอกฐาน - จุดพลังงานขนาดเล็กที่ถูกสั่งให้ลอยออกไปและยังคงขยายตัวตลอดเวลาเอนโทรปีจึงเติบโตอย่างต่อเนื่องในจักรวาลของเราเนื่องจากมีพื้นที่มากขึ้นดังนั้นจึงมีโอกาสเกิดความผิดปกติมากขึ้น อะตอมที่จะนำมาใช้ นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าหลังจากที่คุณและฉันจากไปไม่นานในที่สุดจักรวาลก็จะถึงจุดที่มีความผิดปกติสูงสุดซึ่งทุกอย่างจะมีอุณหภูมิเท่ากันโดยไม่มีกระเป๋าที่มีระเบียบ (เช่นดาวและลิงชิมแปนซี) ให้พบ
และถ้ามันเกิดขึ้นเราจะขอบคุณสำหรับเอนโทรปี
ตอนนี้น่าสนใจ
เซอร์อาร์เธอร์เอ็ดดิงตันนักวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ 20 คิดว่าแนวคิดเรื่องเอนโทรปีมีความสำคัญต่อวิทยาศาสตร์มากจนเขาเขียนไว้ในThe Nature of the Physical Worldในปี 1928: "ฉันคิดว่ากฎที่เอนโทรปีเพิ่มขึ้นอยู่เสมอถือเป็นตำแหน่งสูงสุดในกฎแห่งธรรมชาติ ... หากพบว่าทฤษฎีของคุณขัดต่อกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ฉันไม่สามารถให้ความหวังกับคุณได้ไม่มีอะไรที่จะพังทลายลงด้วยความอัปยศอดสูที่ลึกล้ำที่สุด "
