Світ фізичної ентропії
Ентропію часто неправильно розуміють як своєрідний "розлад". Але це заходить недостатньо далеко. Одного разу введений для пояснення обмеженої ефективності роботи парових двигунів, цей термін також використовується в багатьох інших дисциплінах.
Навряд чи будь-який інший термін у фізиці є настільки популярним за межами фізики - і так часто відхиляється від його фактичного значення - як термін ентропія. Термін має дуже вузьке значення. Австрійський фізик Людвіг Больцман запропонував конкретне визначення цієї фізичної величини у другій половині 19 століття. Він зосередився на мікроскопічній поведінці рідини, тобто газу або рідини. Він розумів невпорядкований рух атомів або молекул у ньому як тепло, що було вирішальним для його визначення.
Ентропія у ванні
У замкнутій системі з фіксованим об'ємом і фіксованою кількістю частинок, заявив Больцман, ентропія пропорційна логарифму кількості мікростанів у системі. Він розумів, що мікродержави означають усі способи, за допомогою яких молекули або атоми рідини, що потрапила в пастку, можуть влаштовуватись. Його формула визначає ентропію як міру “свободи розташування” молекул та атомів: якщо кількість мікростанів, які можна захопити, зростає, то ентропія збільшується. Якщо існує менше способів, як частинки рідини можуть влаштовуватися, ентропія менша.
Формулу Больцмана часто трактують так, ніби ентропія є синонімом "розладу". Однак ця спрощена картина легко вводить в оману. Прикладом цього є піна у ванні: коли бульбашки лопаються і поверхня води стає гладкою, безлад, здається, зменшується. Але ентропія цього не робить! Насправді він насправді збільшується, оскільки після того, як піна розірветься, можливий простір для затримки молекул рідини більше не обмежується зовнішньою шкірою везикул - кількість мікростанів, які можна споживати, зросла. Ентропія зросла.
За допомогою визначення Больцмана можна зрозуміти одну сторону терміна - але ентропія має і іншу, макроскопічну сторону, яку німецький фізик Рудольф Клаузіус вже відкрив кількома роками раніше. На початку 18 століття була винайдена парова машина, класична теплова машина. Теплові двигуни перетворюють різницю температур у механічну роботу. Тоді фізики намагалися зрозуміти, яким принципам підкоряються ці машини. Дослідники з роздратуванням виявили, що лише кілька відсотків теплової енергії можуть бути перетворені в механічну. Решта якось загубилася - без їхнього розуміння причини.
Значення енергії
Теорії термодинаміки, здавалося, бракувало фізичної концепції, яка враховує різні валентності енергії та обмежує здатність перетворювати теплову енергію в механічну. Рішення вийшло у формі ентропії. У середині 19 століття Клавзій ввів термін як термодинамічну величину і визначив його як макроскопічну міру властивості, яка обмежує корисність енергії.
За Клаузіусом, зміна ентропії системи залежить від поданого тепла та температури, яка переважає. Він приходить до висновку, що ентропія завжди передається разом із теплом. Крім того, Клавзій заявив, що ентропія в замкнутих системах, на відміну від енергії, не є збереженою величиною. Ці знання увійшли до фізики як другий закон термодинаміки:
"У закритій системі ентропія ніколи не зменшується".
Тому ентропія завжди збільшується або залишається постійною. Це вводить стрілку часу у фізику замкнутих систем, оскільки зі збільшенням ентропії термодинамічні процеси в замкнутих системах незворотні (або незворотні).
Процес був би оборотним лише в тому випадку, якщо б ентропія залишалася незмінною. Але це можливо лише теоретично. Всі реальні процеси незворотні. За словами Больцмана, можна також сказати: Кількість можливих мікро станів постійно збільшується. Ця мікроскопічна інтерпретація поширює термодинаміко-макроскопічну інтерпретацію Клавсія. Ентропія остаточно розгадала таємницю енергії, яка зникла в теплових двигунах (див. Рамку). Частина теплової енергії постійно відходить від механічної придатності і вивільняється знову, оскільки ентропія не повинна зменшуватися в закритих системах.
Універсальне використання
Починаючи з відкриттів Клаузіуса та Больцмана, ентропія також перейшла в інші галузі фізики. Це навіть було сприйнято поза фізикою, принаймні як математичне поняття. Наприклад, американський математик та інженер-електрик Клод Шеннон ввів у 1948 р. Так звану інформаційну ентропію. Цим розміром він характеризував втрату інформації при передачах по телефонній лінії.
Ентропія також відіграє певну роль у хімії та біології: у певних відкритих системах можуть утворюватися нові структури, якщо ентропія викидається назовні. Це повинні бути так звані дисипативні системи, в яких енергія перетворюється на теплову. Ця теорія формування структури походить від бельгійського фізика-хіміка Іллі Пригожина. На сьогоднішній день публікуються роботи, в яких нові аспекти додаються до фізичного обсягу концепції.