Энтропия. Есть некоторые закономерности. Смерть. Налоги. Второй закон термодинамики.

Энтропия

Есть некоторые закономерности. Смерть. Налоги. Второй закон термодинамики. Я уверен, что вы найдете много статей в Интернете о первых двух вещах в этом списке, но эта - о третьем. Этот закон открыт Сади Карно в 1824 году, когда он размышлял о том, как на самом деле работали полезные, но таинственные паровые двигатели. Как бы вы ни старались, вы просто не можете избежать железной хватки его холодного, неумолимого вывода: в изолированных системах энтропия не может уменьшаться..

Считать молекулы

Если бы я дал вам коробку с воздухом и попросил измерить его свойства, вашим первым инстинктом было бы вытащить линейку и термометр, записывая важные научные цифры, такие как объем, температура или давление. Вы знаете, что что-то вроде «воздуха» на самом деле представляет собой совокупность жужжащих и перемешанных микроскопических молекул. Вы можете себе представить, что вы могли бы записать все положения и скорости каждой отдельной молекулы, но вы бы быстро отказались от таких мыслей, потому что чрезмерно громоздкие и глупые.

В конце концов, температура, давление и объем дают вам всю информацию, которая вам действительно нужна. Эти факты расскажут вам все, что вам нужно знать о том, как поведет себя ящик с воздухом, если бы вы его открыли, сжали или взорвали. Неважно, как все эти крошечные частицы располагаются друг к другу - это их дело, а не ваше.

И в этом суть. Есть так много разных способов расположения молекул воздуха в вашем ящике, которые приводят к одинаковому давлению, температуре и объему. Поменяйте место одной частицы - заметите ли вы? Давление, температура и объем могут оставаться неизменными.

И вот тут-то и возникает энтропия. Понятие энтропии отражает количество различных способов, с помощью которых вы можете изменить порядок вещей, которые вы не видите (крошечные частицы воздуха), чтобы получить те же самые измерения, которые вы можете видеть (например, давление).

Изменение времени

Это хорошо, но почему это число никогда не должно уменьшаться? Чтобы исследовать, давайте очистим вашу комнату.

Представьте себе, что Вы наконец-то собрались, очистили свой график выходных, проснулись рано, сделали то, что вы откладывали с праздников: очистили свою комнату. Сверху донизу, от стены до стены. Чистота и порядок. Все на своем месте. Совершенство.

Как вы думаете, как долго продлится? Не долго, вы понимаете это.

Но почему ваша комната не должна оставаться чистой и опрятной долгие годы? Потому что, если что-то — одна единственная вещь — изменится, оно больше не будет чистым. Грязный носок на кровати? Грязный. Коробка крекеров на тумбочке? Грязно. Коробка с закусками на прикроватной тумбочке?

В этом примере есть только избранные механизмы, которые приводят к измерению "чистого", но есть миллионы и миллионы возможных механизмов, которые приводят к измерению "грязного". Если ураган поразит вашу недавно очищенную комнату, каковы шансы, что она останется в чистом состоянии? Не нуль: ураган по чистой случайности может поднять каждую вещь в вашей комнате и вернуть ее в исходное место. Но это один крошечный шанс и давайте посмотрим правде в глаза, вам не повезет. У вас гораздо больше шансов найти грязную комнату после удара урагана, просто потому, что есть еще много способов сделать комнату грязной.

Энтропия-суровая хозяйка

Точно так же ничто не мешает молекулам воздуха в вашей комнате коллективно принять решение идти в одном направлении и толпиться в углу, оставляя вас задыхаться в вакууме. Серьезно, никакой закон взаимодействия частиц или молекул не может этому помешать. Но движение молекул воздуха регулируется бесчисленными случайными столкновениями и движениями - бесконечным молекулярным ураганом активности. Эти бесчисленные движения по существу всегда оставляют воздух в неорганизованном, беспорядочном состоянии: равномерно распределяются по всей комнате. И все потому, что существует так много способов распространения воздуха, чем втиснуться в угол.

В конечном счете, системы никогда не переходят от беспорядка к порядку (если нет способа добавить к ним энергию, но это история для другой статьи) из-за огромной статистики, препятствующей этому. Вероятность беспорядочного состояния по сравнению с упорядоченным состоянием не равна 10 к 1 или 3720 к 1, это больше похоже на триллионы триллионов триллионов к 1.

Как и в случае с нашей некогда аккуратной комнатой, есть очень мало способов сделать чистую комнату и огромное количество способов сделать грязную комнату. И различные меры «грязного» (например, грязный носок, оставленный на кровати) приведут к одинаковому измерению температуры или давления. Энтропия отражает количество различных способов, которыми вы можете переставить свою грязную комнату, чтобы получить те же значения. И системы, оставленные на произвол судьбы, всегда будут стремиться к более высокой энтропии, просто потому, что есть гораздо больше способов устроить беспорядок, чем сделать порядок: второй закон термодинамики.

Комментарии: