Ентропія - це ... Поняття ентропії. Стандартна ентропія

Ентропія - це слово, яке багато чули, але мало хто розуміє. І варто визнати, що до кінця усвідомити всю сутність цього явища дійсно складно. Однак це не повинно нас лякати. Дуже багато з того, що нас оточує, ми, по суті, пояснити можемо лише поверхово. І мова не йде про сприйняття або знанні якогось конкретного індивідуума. Ні. Ми говоримо про всю сукупності наукових знань, якими володіє людство.

Серйозні прогалини є не тільки в знаннях галактичних масштабів, наприклад, у питаннях про чорних дірах і червоточини, але і в тому, що оточує нас постійно. Наприклад, досі ведуться суперечки про фізичну природу світла. А хто може розкласти по поличках поняття часу? Подібних питань - безліч. Але в цій статті мова піде саме про ентропії. Багато років вчені б`ються над поняттям "ентропія". Хімія і фізика рука об руку йдуть у вивченні цього загадкового явища. Ми постараємося з`ясувати, що ж стало відомо до нашого часу.

Введення поняття в науковому колі

Вперше поняття ентропії в середу фахівців ввів видатний німецький математик Рудольф Клаузіус. Якщо говорити простою мовою, вчений вирішив з`ясувати, куди дівається енергія. В якому сенсі? Для зображенні не будемо звертатися до численних дослідів і складним умовиводів математика, а візьмемо приклад, більше знайомий нам по повсякденному житті.

Вам повинно бути прекрасно відомо, що коли ви заряджаєте, скажімо, акумулятор мобільного телефону, кількість енергії, яку акумулюється в елементи живлення, буде менше реально отриманої від мережі. Відбуваються певні втрати. І в повсякденному житті ми до цього звикли. Але справа в тому, що подібні втрати відбуваються і в інших замкнених системах. А для фізиків-математиків це вже представляє серйозну проблему. Дослідженням цього питання і займався Рудольф Клаузіус.

В результаті він вивів прецікавий факт. Якщо ми, знову-таки, приберемо складну термінологію, він зведеться до того, що ентропія - це різниця між ідеальним і реальним процесом.

Уявіть, що ви володієте магазином. І ви отримали під реалізацію 100 кілограм грейпфрутів за ціною 10 тугриків за кілограм. Поставивши націнку в 2 тугрика на кіло, ви в результаті продажу отримаєте 1200 тугриків, віддасте належну суму постачальнику і залишите собі прибуток у розмірі двохсот тугриків.

Так от, це був опис процесу ідеального. І будь-який торговець знає, що до того часу, як продадуться всі грейпфрути, вони встигнуть усохнути на 15 відсотків. А 20 відсотків і зовсім згниють, і їх доведеться просто списати. А ось це вже процес реальний.

Так от, поняття ентропії, яке ввів в математичну середу Рудольф Клаузіус, визначається як взаємозв`язок системи, в якій приріст ентропії залежить від ставлення температури системи до значення абсолютного нуля. По суті, воно показує значення відпрацьованої (втраченої) енергії.

Показник заходи хаосу

Ще можна з деякою часткою впевненості стверджувати, що ентропія - це міра хаосу. Тобто якщо взяти в якості моделі замкненої системи кімнату звичайного школяра, то чи не прибрана на місце шкільна форма буде вже характеризувати деяку ентропію. Але її значення в цій ситуації буде невеликим. А от якщо на додаток до цього розкидати іграшки, принести з кухні попкорн (природно, трохи впустивши) і залишити в безладді на столі всі підручники, то ентропія системи (а в даному конкретному випадку - цієї кімнати) різко підвищиться.

Складні матерії

Ентропія речовини - дуже складний для опису процес. Багато вчених протягом останнього століття внесли свій внесок у вивчення механізму її роботи. Причому поняття ентропії використовують не тільки математики і фізики. Вона також займає заслужене місце в хімії. А деякі умільці з її допомогою пояснюють навіть психологічні процеси у відносинах між людьми. Простежимо різницю у формулюваннях трьох фізиків. Кожна з них розкриває ентропію з іншого боку, а їх сукупність допоможе нам намалювати для себе більш цілісну картину.

Затвердження Клаузиуса

Неможливий процес переходу теплоти від тіла з низькою температурою до тіла з більш високою.

Переконатися в цьому постулаті нескладно. Ви ніколи не зможете холодними руками зігріти, скажімо, замерзлого маленького цуценя, як би вам не хотілося йому допомогти. Тому доведеться засунути його за пазуху, де температура вища, ніж у нього в даний момент.

Затвердження Томсона

Неможливий процес, результатом якого було б здійснення роботи за рахунок теплоти, взятої від одного якогось тіла.

А якщо зовсім просто, то це означає, що фізично неможливо сконструювати вічний двигун. Не дозволить ентропія замкнутої системи.

Затвердження Больцмана

Ентропія не може зменшуватися в замкнених системах, тобто в тих, що не отримують зовнішньої енергетичної підживлення.

Це формулювання похитнула віру багатьох прихильників теорії еволюції і змусила їх всерйоз задуматися про наявність у Всесвіті розумного Творця. Чому?

Тому що за замовчуванням в замкнутій системі ентропія завжди збільшується. А значить, посилюється хаос. Зменшити її можна лише завдяки зовнішньої енергетичної підживлення. І цей закон ми спостерігаємо щодня. Якщо не доглядати за садом, будинком, машиною і т. Д., То вони просто прийдуть у непридатність.

У мегамасштабі наш Всесвіт - теж замкнута система. І вчені прийшли до висновку, що саме наше існування має свідчити про те, що звідкись ця зовнішня підживлення енергією відбувається. Тому сьогодні нікого не дивує те, що астрофізики вірять в Бога.

Стріла часу

Ще одну вельми дотепну ілюстрацію ентропії можна представити у вигляді стріли часу. Тобто ентропія показує, в який бік буде рухатися процес у фізичному відношенні.

І дійсно, навряд чи, дізнавшись про звільнення садівника, ви будете чекати, що територія, за яку він відповідав, стане більш акуратною і доглянутою. Якраз навпаки - якщо не найняти іншого працівника, через якийсь час навіть самий гарний сад прийде в запустіння.

Ентропія в хімії

В дисципліни "Хімія" ентропія є важливим показником. У деяких випадках її значення впливає на перебіг хімічних реакцій.

Хто не бачив кадрів з художніх фільмів, в яких герої дуже акуратно переносили ємності з нітрогліцерином, побоюючись спровокувати вибух необережним різким рухом? Це було наочним посібником до принципу дії ентропії в хімічному речовині. Якби її показник досяг критичної позначки, то почалася б реакція, в результаті якої відбувається вибух.

Порядок безладу

Найчастіше стверджують, що ентропія - це прагнення до хаосу. Взагалі слово «ентропія» означає перетворення або поворот. Ми вже говорили, що воно характеризує дію. Дуже цікава в цьому контексті ентропія газу. Давайте спробуємо уявити, як вона відбувається.

Беремо замкнуту систему, що складається з двох з`єднаних ємностей, в кожній з яких знаходиться газ. Тиск в ємностях, поки вони не були герметично з`єднані між собою, було різним. Уявіть, що сталося на молекулярному рівні, коли їх з`єднали.

Натовп молекул, що знаходилася під сильнішим тиском, тут же кинулася до своїх побратимів, які жили до того досить привільно. Тим самим вони збільшили там тиск. Це можна порівняти з тим, як хлюпоче вода у ванній. Наїхали на одну сторону, вона тут же спрямовується до іншої. Так само і наші молекули. І в нашій ідеально ізольованою від зовнішнього впливу системі вони будуть штовхатися до тих пір, поки у всьому обсязі не встановиться бездоганне рівновагу. І ось, коли навколо кожної молекули буде рівно стільки ж простору, скільки і у сусідній, все заспокоїться. І це буде найвища ентропія в хімії. Повороти і перетворення припиняться.

Стандартна ентропія

Вчені не полишають спроб упорядкувати і класифікувати навіть безлад. Так як значення ентропії залежить від безлічі супутніх умов, було введено поняття «стандартна ентропія». Значення цих стандартів зведені в спеціальні таблиці, щоб можна було легко проводити обчислення і вирішувати різноманітні прикладні завдання.

За замовчуванням значення стандартної ентропії розглядають при умовах тиску в одну атмосферу і температури в 25 градусів Цельсія. При підвищенні температури даний показник також зростає.

Коди і шифри

Існує ще й інформаційна ентропія. Вона покликана допомагати в кодуванні кодованих послань. Стосовно інформації ентропія - це значення ймовірності передбачуваності інформації. А якщо зовсім простою мовою, то це те, наскільки легко буде зламати перехоплений шифр.

Як це працює? На перший погляд здається, що без хоч якихось вихідних даних зрозуміти закодоване послання можна. Але це не зовсім так. Тут в справу вступає ймовірність.

Уявіть собі сторінку з шифрованих посланням. Вам відомо, що використовувався російську мову, але символи абсолютно незнайомі. З чого почати? Подумайте: яка ймовірність того, що на цій сторінці зустрінеться буква "ь"? А можливість наштовхнутися на літеру «о»? Систему ви зрозуміли. Вираховуються символи, які зустрічаються найчастіше (і рідше за все - це теж важливий показник), і зіставляються з особливостями мови, якою було складено послання.

Крім того, існують часті, а в деяких мовах і незмінні буквосполучення. Ці знання також використовуються для розшифровки. До речі, саме цей спосіб використовував знаменитий Шерлок Холмс в оповіданні «Танцюючі чоловічки». Таким же чином зламували коди напередодні Другої світової війни.

А інформаційна ентропія покликана збільшити надійність кодування. Завдяки виведеним формулам математики можуть аналізувати і покращувати запропоновані шіфровщікі варіанти.

Зв`язок з темною матерією

Теорій, які поки тільки чекають свого підтвердження, безліч. Одна з них пов`язує явище ентропії з порівняно недавно відкритої темною матерією. Вона свідчить, що втрачена енергія просто перетвориться в темну. Астрономи припускають, що в нашому Всесвіті всього 4 відсотки припадає на відому нам матерію. А решта 96 відсотків зайняті невивченою на даний момент - темною.

Таку назву вона отримала через те, що не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням і не випускає його (як всі відомі до цього часу об`єкти у Всесвіті). А тому на даному етапі розвитку науки вивчення темної матерії і її властивостей не представляється можливим.