Вы не можете легко положить зубную пасту обратно в тюбик. Вы не можете ожидать, что молекулы пара спонтанно мигрируют вместе, образуя водяной шар. Если вы выпустите кучу щенков корги в поле, очень маловероятно, что вы сможете собрать их всех обратно в клетку, не проделав при этом тонны работы. Это проблемы, связанные со вторым законом термодинамики, также известным как закон энтропии.
Второй закон термодинамики
Термодинамика важна для различных научных дисциплин, от инженерии до естественных наук, химии, физики и даже экономики. Термодинамическая система представляет собой замкнутое пространство, в которое не поступает и не выходит энергия.
Первый закон термодинамики связан с сохранением энергии - вы, наверное, помните, что слышали раньше, что энергия в замкнутой системе остается постоянной (" энергия не может быть ни создана, ни уничтожена"), если только она не изменена извне. снаружи. Однако энергия постоянно меняет формы - огонь может превратить химическую энергию растения в тепловую и электромагнитную энергию. Батарея превращает химическую энергию в электрическую. Мир переворачивается, и энергия становится менее организованной.
«Второй закон термодинамики называется законом энтропии», - сообщил нам по электронной почте Марко Попович, исследователь биотермодинамики в Школе естественных наук Мюнхенского технического университета. «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 проделать работу, чтобы создать порядок в системе, но даже работа, затраченная на переупорядочивание, увеличивает беспорядок как побочный продукт - обычно в виде тепла. Поскольку мера энтропии основана на вероятностях, энтропия, конечно, может время от времени уменьшаться в системе, но статистически это очень маловероятно.
Определение беспорядка
Сложнее, чем вы думаете, найти систему, которая не пропускает и не пропускает энергию - наша Вселенная - такой же хороший пример, как и мы, - но энтропия описывает, как возникает беспорядок в такой большой системе как вселенная или как термос с 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 перестановок беспорядка может быть сделано на этой кухне, а не с тем, насколько большой беспорядок возможен. Конечно, энтропия зависит от многих факторов: сколько шимпанзе, сколько вещей хранится на кухне и насколько велика кухня. Итак, если вы посмотрите на две кухни - одну очень большую и забитую до отказа, но идеально чистую, и другую, поменьше, с меньшим количеством вещей, но уже изрядно захламленную шимпанзе - заманчиво сказать, что в более грязной комнате их больше. энтропия, но это не обязательно так. Энтропия больше заботится о том, сколько различных состояний возможно, чем о том, насколько она неупорядочена в данный момент; следовательно, система имеет большую энтропию, если в ней больше молекул и атомов и если она больше. И если шимпанзе больше.
Энтропия сбивает с толку
Энтропия может быть самой истинной научной концепцией, которую на самом деле понимает наименьшее количество людей. Понятие энтропии может быть очень запутанным - отчасти потому, что на самом деле существуют разные типы. Венгерский математик Джон фон Нейман сетовал на ситуацию следующим образом: «Тот, кто использует термин «энтропия» в дискуссии, всегда побеждает, поскольку никто не знает, что такое энтропия на самом деле, поэтому в споре всегда есть преимущество».
«Немного сложно дать определение энтропии, - 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 подразумевает, 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 им владеет в данный момент:
В середине 19 века немецкий физик по имени Рудольф Клаузиус, один из основоположников концепции термодинамики, работал над проблемой КПД паровых двигателей и изобрел понятие энтропии для измерения бесполезной энергии. которые не могут быть превращены в полезную работу. Пару десятилетий спустя Людвиг Больцман (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 Э. Т. Джейнс интерпретировал энтропию как информацию, которую мы упускаем, чтобы определить движение всех частиц в системе», - говорит Попович.«Например, один моль газа состоит из 6 x 1023 частиц. Таким образом, для нас невозможно описать движение каждой частицы, поэтому вместо этого мы делаем следующую лучшую вещь, определяя газ не через движение каждой частицы, а через свойства всех вместе взятых частиц: температуру, давление, полную энергию. Информация, которую мы теряем при этом, называется энтропией».
И ужасающая концепция «тепловой смерти Вселенной» была бы невозможна без энтропии. Поскольку наша Вселенная, скорее всего, зародилась как сингулярность - бесконечно малая упорядоченная точка энергии, - которая раздулась и продолжает все время расширяться, энтропия в нашей Вселенной постоянно растет, потому что в ней 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 конце концов достигнет точки максимального беспорядка, в которой все будет иметь одинаковую температуру, и не будет обнаружено очагов порядка (таких как звезды и шимпанзе).
И если это произойдет, мы будем благодарить за это энтропию.
Интересно
Ученый двадцатого века сэр Артур Эддингтон считал понятие энтропии настолько важным для науки, что написал в «Природе физического мира» в 1928 году: «Закон, согласно которому энтропия всегда возрастает, занимает, я думаю, высшую позицию среди законы природы. Если окажется, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды, она не может рухнуть в глубочайшем унижении."