Что такое энтропия и как она связана с материей и энергией?

Для 3 начала термодинамики имеется множество формулировок - автору статьи известно 9, и он полагает наиболее доступной формулировку в виде тепловой теоремы Нернста. Она гласит - "Абсолютный нуль недостижим". Однако в большинство учебников общей физики вошла иная формулировка - "Энтропия замкнутой системы нарастает".

Здесь сразу начинаются проблемы - понять, что есть энтропия реально сложно. Впервые понятие энтропии ввел германский физик Рудольф Клаузиус. С помощью этой функции он описывал возможность тепла преобразовываться в иные виды энергии. Длительное время термин «энтропия» применялся исключительно в физике, позднее он перешел и в прочие науки.

Энтропия в физике

Согласно термодинамике, всякая замкнутая система стремится достичь равновесного состояния - это значит перейти в положение, когда нет никакого излучения энергии или ее перехода из одного состояния в другое. Выйти из такого состояния невозможно и она характеризуется максимальным уровнем беспорядка. Таким образом - энтропия мера беспорядка. Чем он выше, тем больше и значение энтропии. Чем сложнее организована структура вещества, тем меньше уровень энтропии и выше вероятность ее распада.




Например, Останкинская телевышка весьма сложная структура, она стремится к упрощению. Если за ней не смотреть и не ремонтировать, то через определенный промежуток времени конструкция телевышки развалится на составляющие части. Беспорядок сооружения, а следовательно и энтропия, увеличатся.

Еще одним способом подачи энтропии в физике является ее определение, как разность между идеальным процессом, описываемым формулами, и процессом реальным. Чтобы не усложнять статью рассмотрим это явление на простом примере.

Человек ставит свой мобильный телефон на зарядку. Идеальным будет вариант, когда вся полученная электрическая энергия перейдет в химическую энергию аккумулятора, который затем снова будет преобразовывать ее в электроэнергию необходимую для питания сотового. На самом деле, все далеко не так - часть энергии полученной из электросети необратимо тратится на нагрев блока питания, проводов и самого аккумулятора. В этом несложно убедиться, прикоснувшись к блоку питания или телефону в процессе подзарядки - они будут теплые. Энергия, преобразовавшаяся в тепло, и есть в данной ситуации энтропия.

Самые распространенные формулировки энтропии в физике

Многие известные физики пытались доступным для простых людей объяснить понятие энтропии. Выделим 3 наиболее известные формулировки объяснения.

Утверждение Клаузиуса

Нагрев тела с более высокой температурой невозможен посредством тела с более низкой температурой.




На примере это выглядит так - поставить чайник с водой на кусок льда можно (априори температура воды выше температуры льда), но дождаться, что вода закипит не получится. Хотя первые 2 начала термодинамики не отрицают подобной возможности.

Формулировка Томсона

В замкнутой системе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы работа, совершаемая за счет тепловой энергии полученной от какого-либо тела.

Подобный вариант формулировки означает, что вечный двигатель построить в принципе невозможно.

Утверждение Больцмана

Уменьшение энтропии в замкнутой системе невозможно.

Эта формулировка вызывает множество споров, хотя интуитивно все понятно. В заброшенном жилище будет нарастать хаос - осядет пыль, некоторые вещи развалятся. Навести порядок можно, но только приложив внешнюю энергию, то есть работу уборщика.

Проблема в том, что Вселенная в современных представлениях является замкнутой системой. Образовалась она где-то 14-15 миллиардов лет назад. За это время ее энтропия привела бы к тому, что галактики распались, звезды погасли и никаких новых звезд не появилось бы в принципе. А ведь нашему Солнцу не больше 5 миллиардов лет, да и Вселенная в целом не пришла в состояние хаоса.




Следовательно, Вселенная получает подпитку энергией извне. Вот только откуда?

Энтропия в химии




Многие химические процессы являются необратимыми и происходят с выбросом энергии. Например взрыв при сотрясении нитроглицерина никого не удивляет - это и есть химическая реакция сопровождаемая резким увеличением энтропии.

Экономика и энтропия

Специалистам в экономике известно понятие коэффициент энтропии. Этот коэффициент показывает изменение уровня концентрации рынка и возможность появления монополий. С ростом этого показателя вероятность захвата рынка монополистами снижается. Этот коэффициент помогает определить выгоды монопольной деятельности в том или ином сегменте рынка.

Энтропия и социология

Под энтропией в социологии полагают информационную неопределенность, которая характеризуется отклонением системы (социума), или ее частей (звеньев), от идеального (эталонного) состояния.




Пример можно взять следующий - некая организация занимается проверкой деятельности других организаций. За проверкой следует составление отчета. Если руководство требует очень подробные отчеты, то наступает момент, когда почти все время сотрудников уходит на составление этих самых отчетов. Время расходуемое на основную деятельность сотрудников (собственно проверки) становится недопустимо малым. Это положение характеризуется высоким состоянием информационной неопределенности (энтропии). Руководство в такой ситуации обязано принять меры по упрощению отчетности.