Entropia, vysvetlenie pojmu jednoduchými slovami

Čoskoro si uvedomíte, že neuspejete, ale nenechajte sa odradiť: nevyriešili ste Rubikovu kocku, ale ilustrovali ste druhý termodynamický zákon:

Entropia izolovaného systému sa nemôže znížiť.

Postava vo filme Woodyho Allena Whatever Works definuje entropiu ako niečo, čo sťažuje vracanie zubnej pasty späť do tuby. Zaujímavým spôsobom vysvetľuje aj Heisenbergov princíp neistoty, ďalší dôvod, prečo si film pozrieť.

Entropia je mierou neporiadku, chaosu. Pozvali ste priateľov na novoročnú párty, upratali, poumývali podlahu, položili občerstvenie na stôl, usporiadali nápoje. Slovom, všetko zefektívnili a odstránili toľko chaosu, koľko len mohli. Toto je systém s nízkou entropiou.

Všetci si asi viete predstaviť, čo sa stane s bytom, ak sa večierok vydarí: úplný chaos. Ale ráno máte k dispozícii systém s veľkou entropiou.

Na to, aby ste dali byt do poriadku, si treba dať do poriadku, teda vynaložiť naň veľa energie. Entropia systému sa znížila, ale nie je v tom žiadny rozpor s druhým termodynamickým zákonom – pridali ste energiu zvonku a tento systém už nie je izolovaný.

Nerovný boj

Jednou z možností konca sveta je tepelná smrť vesmíru v dôsledku druhého termodynamického zákona. Entropia vesmíru dosiahne maximum a nič iné sa v ňom nestane.

Vo všeobecnosti všetko znie dosť fádne: v prírode majú všetky usporiadané veci tendenciu k deštrukcii, k chaosu. Ale odkiaľ sa potom berie život? Všetky živé organizmy sú neskutočne zložité a usporiadané a celý život nejakým spôsobom bojujú s entropiou (aj keď tá nakoniec vždy zvíťazí).

Všetko je veľmi jednoduché. Živé organizmy v procese života prerozdeľujú okolo seba entropiu, čiže dávajú svoju entropiu všetkému, čo môžu. Napríklad, keď jeme sendvič, krásne objednaný chlieb a maslo premeníme na niečo. Ukazuje sa, že sme dali našu entropiu sendviči, ale vo všeobecnom systéme sa entropia neznížila.

A ak vezmeme Zem ako celok, potom to vôbec nie je uzavretý systém: Slnko nám dodáva energiu na boj s entropiou.

Entropia je mierou zložitosti systému. Nie porucha, ale komplikácia a vývoj. Čím väčšia je entropia, tým ťažšie je pochopiť logiku tohto konkrétneho systému, situácie, javu. Všeobecne sa uznáva, že čím viac času plynie, tým menej je vesmír usporiadaný. Dôvodom je nerovnomerná rýchlosť vývoja vesmíru ako celku a nás, ako pozorovateľov entropie. My ako pozorovatelia sme o mnoho rádov jednoduchší ako vesmír. Preto sa nám to zdá príliš nadbytočné, nie sme schopní porozumieť väčšine vzťahov príčina-následok, ktoré ju tvoria. Dôležitý je aj psychologický aspekt – ľudia si ťažko zvykajú na to, že nie sú jedineční. Pochopte, že téza, že ľudia sú korunou evolúcie, nie je vzdialená predchádzajúcej viere, že Zem je stredom vesmíru. Pre človeka je príjemné veriť vo vlastnú exkluzivitu a nie je prekvapujúce, že štruktúry, ktoré sú zložitejšie ako my, máme tendenciu vnímať ako neusporiadané a chaotické.

Vyššie je niekoľko veľmi dobrých odpovedí vysvetľujúcich entropiu zo súčasnej vedeckej paradigmy. Respondenti tento jav vysvetľujú na jednoduchých príkladoch. Ponožky rozhádzané po izbe, rozbité poháre, opice hrajúce šach atď. Ale keď sa pozriete pozorne, pochopíte – poriadok je tu vyjadrený v skutočne ľudskej myšlienke. Slovo „lepší“ sa vzťahuje na dobrú polovicu takýchto príkladov. Lepšie poskladané ponožky v skrini ako rozhádzané ponožky na zemi. Celý pohár je lepší ako rozbitý. Zápisník napísaný krásnym rukopisom je lepší ako zápisník s škvrnami. V ľudskej logike nie je jasné, čo robiť s entropiou. Dym vytekajúci z trubice nie je úžitkový. Kniha roztrhaná na kusy je zbytočná. Z viachlasného rozhovoru a hluku v metre je ťažké vydolovať aspoň minimum informácií. V tomto zmysle bude veľmi zaujímavé vrátiť sa k definícii entropie zavedenej fyzikom a matematikom Rudolfom Clausiusom, ktorý tento jav považoval za mieru nezvratného rozptylu energie. Od koho pochádza táto energia? Pre koho je jeho používanie ťažšie? Áno! Rozliatu vodu je veľmi ťažké (ak nie nemožné) opäť pozbierať všetky kvapky do pohára. Na opravu starého oblečenia musíte použiť nový materiál (látka, nite atď.). Toto neberie do úvahy význam, ktorý táto entropia nemusí mať pre ľudí. Uvediem príklad, keď rozptyl energie pre nás bude mať presne opačný význam pre iný systém:

Viete, že každú sekundu letí do vesmíru obrovské množstvo informácií z našej planéty. Napríklad vo forme rádiových vĺn. Pre nás sa táto informácia zdá byť úplne stratená. Ale ak dostatočne rozvinutá mimozemská civilizácia stojí v ceste rádiovým vlnám, jej predstavitelia môžu časť tejto pre nás stratenej energie prijať a dešifrovať. Počúvajte a porozumejte našim hlasom, sledujte naše televízne a rozhlasové programy, pripojte sa k našej internetovej prevádzke))). V tomto prípade si našu entropiu môžu objednať iné inteligentné bytosti. A čím viac energie je pre nás rozptýlené, tým viac energie môžu zhromaždiť.

Entropia je mierou zložitosti systému. Nie porucha, ale komplikácia a vývoj. Čím väčšia je entropia, tým ťažšie je pochopiť logiku tohto konkrétneho systému, situácie, javu. Všeobecne sa uznáva, že čím viac času plynie, tým menej je vesmír usporiadaný. Dôvodom je nerovnomerná rýchlosť vývoja vesmíru ako celku a nás, ako pozorovateľov entropie. My ako pozorovatelia sme o mnoho rádov jednoduchší ako vesmír. Preto sa nám to zdá príliš nadbytočné, nie sme schopní porozumieť väčšine vzťahov príčina-následok, ktoré ju tvoria. Dôležitý je aj psychologický aspekt – ľudia si ťažko zvykajú na to, že nie sú jedineční. Pochopte, že téza, že ľudia sú korunou evolúcie, nie je vzdialená predchádzajúcej viere, že Zem je stredom vesmíru. Pre človeka je príjemné veriť vo vlastnú exkluzivitu a nie je prekvapujúce, že štruktúry, ktoré sú zložitejšie ako my, máme tendenciu vnímať ako neusporiadané a chaotické.

Vyššie je niekoľko veľmi dobrých odpovedí vysvetľujúcich entropiu zo súčasnej vedeckej paradigmy. Respondenti tento jav vysvetľujú na jednoduchých príkladoch. Ponožky rozhádzané po izbe, rozbité poháre, opice hrajúce šach atď. Ale keď sa pozriete pozorne, pochopíte – poriadok je tu vyjadrený v skutočne ľudskej myšlienke. Slovo „lepší“ sa vzťahuje na dobrú polovicu takýchto príkladov. Lepšie poskladané ponožky v skrini ako rozhádzané ponožky na zemi. Celý pohár je lepší ako rozbitý. Zápisník napísaný krásnym rukopisom je lepší ako zápisník s škvrnami. V ľudskej logike nie je jasné, čo robiť s entropiou. Dym vytekajúci z trubice nie je úžitkový. Kniha roztrhaná na kusy je zbytočná. Z viachlasného rozhovoru a hluku v metre je ťažké vydolovať aspoň minimum informácií. V tomto zmysle bude veľmi zaujímavé vrátiť sa k definícii entropie zavedenej fyzikom a matematikom Rudolfom Clausiusom, ktorý tento jav považoval za mieru nezvratného rozptylu energie. Od koho pochádza táto energia? Pre koho je jeho používanie ťažšie? Áno! Rozliatu vodu je veľmi ťažké (ak nie nemožné) opäť pozbierať všetky kvapky do pohára. Na opravu starého oblečenia musíte použiť nový materiál (látka, nite atď.). Toto neberie do úvahy význam, ktorý táto entropia nemusí mať pre ľudí. Uvediem príklad, keď rozptyl energie pre nás bude mať presne opačný význam pre iný systém:

Viete, že každú sekundu letí do vesmíru obrovské množstvo informácií z našej planéty. Napríklad vo forme rádiových vĺn. Pre nás sa táto informácia zdá byť úplne stratená. Ale ak dostatočne rozvinutá mimozemská civilizácia stojí v ceste rádiovým vlnám, jej predstavitelia môžu časť tejto pre nás stratenej energie prijať a dešifrovať. Počúvajte a porozumejte našim hlasom, sledujte naše televízne a rozhlasové programy, pripojte sa k našej internetovej prevádzke))). V tomto prípade si našu entropiu môžu objednať iné inteligentné bytosti. A čím viac energie je pre nás rozptýlené, tým viac energie môžu zhromaždiť.

Entropia je pojem, ktorý sa používa nielen v exaktných, ale aj humanitných vedách. Vo všeobecnom prípade ide o mieru náhodnosti, neusporiadanosti určitého systému.

Ako viete, ľudstvo sa vždy snažilo presunúť čo najviac práce na plecia strojov a mechanizmov, pričom na to využívalo čo najmenej zdrojov. Zmienka o perpetuum mobile sa prvýkrát našla v arabských rukopisoch zo 16. storočia. Odvtedy bolo navrhnutých mnoho návrhov pre potenciálne perpetum mobile. Čoskoro, po mnohých neúspešných experimentoch, vedci pochopili niektoré črty prírody, ktoré neskôr určili základy termodynamiky.

Kresba perpetuum mobile

Prvý zákon termodynamiky hovorí nasledovné: na vykonanie práce bude termodynamický systém vyžadovať buď vnútornú energiu systému, alebo vonkajšiu energiu z dodatočných zdrojov. Toto tvrdenie je termodynamickým zákonom zachovania energie a zakazuje existenciu stroja na večný pohyb prvého druhu – systému, ktorý funguje bez vynaloženia energie. Mechanizmus jedného z týchto motorov bol založený na vnútornej energii tela, ktorú je možné premeniť na prácu. Môže to byť napríklad kvôli predĺženiu. Ľudstvo ale nepozná telesá alebo systémy, ktoré sa môžu donekonečna rozpínať, čo znamená, že skôr či neskôr ich vnútorná energia skončí a motor sa zastaví.

O niečo neskôr sa objavil takzvaný perpetum mobile druhého druhu, ktorý neodporoval zákonu zachovania energie a bol založený na mechanizme prenosu tepla, ktorý okolité telesá potrebujú na prácu. Ako príklad si vzali oceán, chladením, ktoré by pravdepodobne mohlo získať pôsobivý prísun tepla. Nemecký vedec, matematik a fyzik R. Clausius však v roku 1865 definoval druhý termodynamický zákon: „opakujúci sa proces nemôže existovať, ak výsledkom je iba prenos tepla z menej zohriateho telesa na viac zohriate a nič. viac.” Neskôr zaviedol pojem entropia – určitá funkcia, ktorej zmena sa rovná pomeru množstva odovzdaného tepla k teplote.

Potom sa zákon neklesajúcej entropie stal alternatívou k druhému termodynamickému zákonu: „entropia neklesá v uzavretom systéme“.

Jednoducho povedané

Keďže entropia prebieha v širokej škále oblastí ľudskej činnosti, jej definícia je trochu vágna. Na najjednoduchších príkladoch však možno pochopiť podstatu tohto množstva. Entropia je stupeň neusporiadanosti, inými slovami neistota, neusporiadanosť. Potom má systém roztrúsených útržkov papiera na ulici, ktoré ešte stále periodicky vrhá vietor, vysokú entropiu. A systém papierov poskladaných na kôpke na ploche má minimálnu entropiu. Ak chcete znížiť entropiu v systéme s útržkami papiera, musíte stráviť veľa času a energie lepením útržkov papiera na plné listy a ich skladaním na hromadu.

V prípade uzavretého systému je všetko rovnako jednoduché. Napríklad vaše veci sú v uzavretej skrini. Ak na ne nepôsobíte zvonku, potom sa bude zdať, že veci si dlho zachovajú svoju entropickú hodnotu. Ale skôr či neskôr sa rozložia. Napríklad vlnenej ponožke bude trvať až päť rokov, kým sa rozloží, no koženej obuvi asi štyridsať rokov. V opísanom prípade je skriňa izolovaný systém a rozklad vecí je prechodom od usporiadaných štruktúr k chaosu.

Ak to zhrnieme, treba poznamenať, že minimálna entropia sa pozoruje pre rôzne makroskopické objekty (tie, ktoré možno pozorovať voľným okom), ktoré majú určitú štruktúru, a maximálna pre vákuum.

Entropia vesmíru

V dôsledku vzniku takého pojmu ako entropia sa objavilo mnoho ďalších tvrdení a fyzikálnych definícií, ktoré umožnili podrobnejšie opísať zákony prírody. Jedným z nich je niečo ako „reverzibilné/nevratné procesy“. Prvé zahŕňajú procesy, ktorých entropia systému sa nezvyšuje a zostáva konštantná. Ireverzibilné – také procesy, v ktorých uzavretom systéme sa zvyšuje entropia. Uzavretý systém nie je možné vrátiť do stavu pred procesom, pretože v takom prípade by sa entropia musela znížiť.

Podľa Clausiusa je nezvratným procesom existencia Vesmíru, na konci ktorého ho čaká takzvaná „Tepelná smrť“, inak – termodynamická rovnováha, ktorá existuje pre uzavreté systémy. To znamená, že entropia dosiahne maximum a všetky procesy jednoducho zaniknú. Ako sa však čoskoro ukázalo, Rudolf Clausius nebral do úvahy gravitačné sily, ktoré sú prítomné všade vo vesmíre. Napríklad vďaka nim nemusí byť rozloženie častíc pri maximálnej entropii rovnomerné.

Medzi ďalšie nedostatky teórie „tepelnej smrti vesmíru“ patrí aj to, že nevieme, či je skutočne konečný a či naň možno aplikovať koncept „uzavretého systému“. Malo by sa tiež vziať do úvahy, že stav maximálnej entropie, ako aj samotné absolútne vákuum sú rovnaké teoretické pojmy ako ideálny plyn. To znamená, že v skutočnosti entropia nedosiahne svoju maximálnu hodnotu v dôsledku rôznych náhodných odchýlok.

Je pozoruhodné, že viditeľné vo svojom objeme si zachováva hodnotu entropie. Dôvodom je už mnohým známy fenomén – Vesmír. Táto zaujímavá zhoda okolností opäť dokáže ľudstvu, že v prírode sa nič nedeje len tak. Podľa vedcov sa hodnota entropie rádovo rovná počtu existujúcich fotónov.

• Slovo „chaos“ sa vzťahuje na počiatočný stav vesmíru. V tej chvíli bola len beztvarou zbierkou priestoru a hmoty.
• Podľa výskumov niektorých vedcov je najväčším zdrojom entropie supermasív. Iní však veria, že vďaka silným gravitačným silám, ktoré všetko priťahujú k masívnemu telesu, sa miera chaosu prenáša do okolitého priestoru v zanedbateľnom množstve.
• Je zaujímavé, že život a vývoj človeka sú nasmerované opačným smerom ako chaos. Vedci tvrdia, že je to možné vďaka tomu, že človek počas svojho života, podobne ako iné živé organizmy, naberá menšiu entropickú hodnotu, než akú dáva okoliu.

Prírodná veda je veda založená na reprodukovateľnom empirickom testovaní hypotéz a vytváraní teórií alebo empirických zovšeobecnení, ktoré opisujú prírodné javy.

Predmetom prírodovedy sú fakty a javy vnímané našimi zmyslami. Úlohou vedca je tieto fakty zovšeobecniť a vytvoriť teoretický model skúmaného prírodného javu vrátane zákonitostí, ktorými sa riadi. Javy, napríklad zákon univerzálnej gravitácie, sú nám dané skúsenosťou; jeden z vedeckých zákonov – zákon univerzálnej gravitácie, je vysvetlením týchto javov. Po zistení skutočnosti zostávajú vždy relevantné, zákony možno revidovať alebo upravovať v súlade s novými údajmi alebo novým konceptom, ktorý ich vysvetľuje. Fakty reality sú nevyhnutnou súčasťou vedeckého výskumu.

Základným princípom prírodných vied je 1: poznanie prírody musí podliehať empirickému overeniu. To neznamená, že vedecká teória musí byť okamžite potvrdená, ale každé jej ustanovenie musí byť také, aby takéto overenie bolo v zásade možné.

Prírodné vedy sa líšia od technických vied tým, že primárne nie sú zamerané na pretváranie sveta, ale na jeho poznanie. Prírodná veda sa od matematiky líši tým, že študuje skôr prírodné ako znakové systémy. Skúsme prepojiť prírodovedné, technické a matematické vedy pomocou pojmu – „entropia“.

Účelom tejto práce je preto zvážiť a vyriešiť nasledujúce problémy:

Pojem entropia

Pojem entropia zaviedol R. Clausius 2, ktorý sformuloval druhý termodynamický zákon, podľa ktorého k prenosu tepla z chladnejšieho telesa na teplejšie nemôže dôjsť bez vynaloženia vonkajšej práce.

Zmenu entropie termodynamického systému počas reverzibilného procesu definoval ako pomer zmeny celkového množstva tepla ΔQ k hodnote absolútnej teploty T:

Rudolf Clausius dal veličine S názov „entropia“, odvodený z gréckeho slova τρoπή, „zmena“ (zmena, premena, premena).

Tento vzorec je použiteľný len pre izotermický proces (prebiehajúci pri konštantnej teplote). Jeho zovšeobecnenie na prípad ľubovoľného kvázistatického procesu vyzerá takto:

kde dS je prírastok (diferenciál) entropie a δQ je nekonečne malý prírastok množstva tepla.

Všimnite si, že entropia je stavová funkcia, takže jej celkový diferenciál je na ľavej strane rovnice. Naopak, množstvo tepla je funkciou procesu, v ktorom bolo toto teplo odovzdané, takže δQ nemožno v žiadnom prípade považovať za úplný rozdiel.

Entropia je teda definovaná až do ľubovoľnej aditívnej konštanty. Tretí zákon termodynamiky vám to umožňuje presne určiť: v tomto prípade sa entropia rovnovážneho systému pri absolútnej nulovej teplote považuje za rovnú nule.

Entropia je kvantitatívna miera tepla, ktorá sa nepremieňa na prácu.

S 2 -S 1 \u003d AS \u003d 

Alebo inými slovami, entropia je mierou disipácie voľnej energie. Ale už vieme, že každý otvorený termodynamický systém v stacionárnom stave má tendenciu k minimálnemu rozptylu voľnej energie. Ak sa teda systém z dôvodov odchýlil od stacionárneho stavu, potom v dôsledku tendencie systému k minimálnej entropii nastanú v ňom vnútorné zmeny, ktoré ho vrátia do stacionárneho stavu.

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného, ​​entropia charakterizuje určitý smer procesu v uzavretom systéme. V súlade s druhým termodynamickým zákonom 3 zodpovedá nárast entropie smeru tepelného toku z teplejšieho telesa do menej horúceho. V uzavretom systéme dochádza k nepretržitému zvyšovaniu entropie, kým sa teplota v celom objeme systému nevyrovná. Nastáva, ako sa hovorí, termodynamická rovnováha systému, pri ktorej miznú usmernené tepelné toky a systém sa stáva homogénnym.

Absolútna hodnota entropie závisí od množstva fyzikálnych parametrov. Pri pevnom objeme sa entropia zvyšuje so zvyšovaním teploty systému a pri konštantnej teplote sa zvyšuje so zvyšovaním objemu a znižovaním tlaku. Zahrievanie systému je sprevádzané fázovými premenami a poklesom stupňa usporiadania v systéme, pretože pevné teleso sa mení na kvapalinu a kvapalina sa mení na plyn. Keď sa látka ochladí, dôjde k opačnému procesu, usporiadanie systému sa zvýši. Toto usporiadanie sa prejavuje v skutočnosti, že molekuly látky zaujímajú voči sebe čoraz jednoznačnejšiu pozíciu. V pevnej látke je ich poloha fixovaná štruktúrou kryštálovej mriežky.

Inými slovami, entropia pôsobí ako miera chaosu 4 (debata o definícii ktorého prebieha už dlho).

Všetky procesy v prírode prebiehajú v smere rastúcej entropie. Termodynamická rovnováha systému zodpovedá stavu s maximom entropie. Rovnováha, ktorá zodpovedá maximálnej entropii, sa nazýva absolútne stabilná. Zvýšenie entropie systému teda znamená prechod do stavu s vysokou pravdepodobnosťou. To znamená, že entropia charakterizuje pravdepodobnosť, s akou je daný stav stanovený, a je mierou náhodnosti alebo nezvratnosti. Je to miera chaosu v usporiadaní atómov, fotónov, elektrónov a iných častíc. Čím viac poriadku, tým menej entropie. Čím viac informácií vstupuje do systému, tým je systém organizovanejší a jeho entropia je menšia:

oplotov