Ентропија на светот на физиката
Ентропијата честопати е погрешно сфатена како еден вид „нарушување“. Но, тоа не оди доволно далеку. Откако беше воведен за да се објасни ограничената ефикасност на парните мотори, овој термин сега се користи и во многу други дисциплини.
Ретко кој друг поим во физиката е толку популарен надвор од физиката - и толку често отстапува од неговото вистинско значење - како оној на ентропијата. Терминот има многу тесно значење. Австрискиот физичар Лудвиг Болцман излезе со конкретна дефиниција за оваа физичка величина во втората половина на 19 век. Тој се фокусираше на микроскопското однесување на течност, т.е. гас или течност. Тој го сфатил нарушеното движење на атомите или молекулите во него како топлина, што било одлучувачко за неговата дефиниција.
Ентропија во када
Во затворен систем со фиксен волумен и фиксен број честички, наведе Болцман, ентропијата е пропорционална на логаритмот на бројот на микродржави во системот. Тој разбра микродржави да ги значат сите начини на кои молекулите или атомите на заробената течност можат да се распоредат сами по себе. Неговата формула ја дефинира ентропијата како мерка за „слободата на распоредување“ на молекулите и атомите: Ако се зголеми бројот на микродржави што може да се фатат, тогаш ентропијата се зголемува. Ако има помалку начини на кои честичките на течноста можат да се распоредат самите, ентропијата е помала.
Формулата на Болцман често се толкува како ентропијата да е синоним за „нарушување“. Сепак, оваа поедноставена слика е лесно погрешна. Пример за ова е пената во када: кога меурите пукаат и површината на водата станува мазна, нередот се чини дека се намалува. Но, ентропијата не го прави тоа! Всушност, тоа всушност се зголемува, бидејќи по пукањето на пената, можниот простор за останување на молекулите на течноста повеќе не е ограничен на надворешните кожи на меурчињата - бројот на микродржави што можат да се консумираат е зголемен. Ентропијата порасна.
Со помош на дефиницијата на Болцман, може да се разбере едната страна од поимот - но ентропијата има и друга, макроскопска страна, што германскиот физичар Рудолф Клаузиус веќе ја имаше откриено неколку години порано. На почетокот на 18 век бил измислен парниот мотор, класичен топлински мотор. Топлинските мотори ја претвораат температурната разлика во механичка работа. Во тоа време, физичарите се обидоа да разберат кои принципи ги почитуваат овие машини. Истражувачите биле иритирани кога откриле дека само неколку проценти од топлинската енергија може да се претвори во механичка енергија. Остатокот некако беше изгубен - без да ја разберат причината.
Вредност на енергијата
На теоријата за термодинамика се чини дека нема физички концепт кој ги зема предвид различните валентни сили на енергија и ја ограничува можноста за претворање на топлинската енергија во механичка енергија. Решението дојде во форма на ентропија. Во средината на 19 век, Клаузиј го воведе терминот како термодинамичка величина и го дефинираше како макроскопска мерка за својство што ја ограничува употребливоста на енергијата.
Според Клаузиус, промената на ентропијата на системот зависи од испорачаната топлина и температурата што преовладува. Тој заклучува дека ентропијата секогаш се пренесува заедно со топлината. Покрај тоа, Клаузиус изјави дека ентропијата во затворените системи, за разлика од енергијата, не е зачувана количина. Ова знаење влезе во физиката како втор закон за термодинамика:
„Во затворен систем, ентропијата никогаш не се намалува“.
Ентропијата секогаш се зголемува или останува постојана. Ова воведува стрела на времето во физиката на затворените системи, бидејќи со зголемувањето на ентропијата, термодинамичките процеси во затворените системи се неповратни (или неповратни).
Процес ќе биде реверзибилен само ако ентропијата остане постојана. Но, тоа е можно само во теорија. Сите реални процеси се неповратни. Според Болцман, може да се каже и: Бројот на можни микродржави се зголемува во секое време. Оваа микроскопска интерпретација ја проширува термодинамичко-макроскопската интерпретација од Клаузиус. Ентропијата конечно ја реши мистеријата за енергијата што исчезна во топлинските мотори (види ја рамката). Дел од топлинската енергија постојано се повлекува од механичката употребливост и повторно се ослободува бидејќи ентропијата не смее да се намалува во затворените системи.
Разновидна употреба
Од наодите на Клаузиус и Болцман, ентропијата се преселила и во други области на физиката. Тоа беше прифатено дури и надвор од физиката, барем како математички концепт. На пример, американскиот математичар и електроинженер Клод Шанон ја воведе таканаречената информативна ентропија во 1948 година. Со оваа големина тој ја карактеризираше загубата на информации во преносите преку телефонската линија.
Ентропијата исто така игра улога во хемијата и биологијата: Во одредени отворени системи, нови структури можат да се формираат ако ентропијата се испушти кон надвор. Овие мора да бидат таканаречени дисипативни системи, во кои енергијата се претвора во топлинска енергија. Оваа теорија за формирање структура потекнува од белгискиот физички хемичар Илја Пригогин. До денес се објавуваат дела во кои се додаваат нови аспекти на физичкиот опсег на концептот.