Что такое энтропия
Энтропия Вселенной – это величина, показывающая уровень ее неупорядоченности и теплового состояния. С греческого языка переводится как «превращение». Проще говоря, энтропия определяет хаос.
Виды энтропии
Данный термин пришел к нам из Древней Греции, но в науку вошел лишь в XIX веке. За короткое время понятие меры хаоса стало использоваться во многих науках: физика, космология, биология и так далее. Виды энтропии делятся на:
- информационная
- термодинамическая
- дифференциальная
- культурная
В молекулярной физике, например, существует своя мера неупорядоченности – энтропия Больцмана. Этот физик смог доказать, что данное понятие тесно связано с вероятностью рассеяния энергии. Это называется термодинамической энтропией.
С другой стороны, информационная также характеризует хаос, но не такой, как хаотичность молекул, а непредсказуемость и неопределенность.
Энтропия Вселенной
Энтропия Вселенной
Энтропия Вселенной не может быть вычислена стандартными формулами из-за действия гравитации и того, что материя не есть замкнутая система. Поэтому величина, определяющая хаос, подходит к понятию энтропии Вселенной как ни к чему другому.
Что же приводит к хаосу в космосе? Огромные объекты, являющиеся главным спонсором неупорядоченности Вселенной, это черные дыры.
Возможно, энтропию и можно вычислить, но пока ни одна попытка не увенчалась успехом. Почему так? Потому что ученым не хватает данных о том, как на вычисления могут повлиять другие небесные тела и темная энергия. Исследование последней находится лишь в зачаточном состоянии, поэтому конкретнее пока сказать нельзя. От того и энтропия Вселенной может постоянно изменяться.
Тепловая смерть Вселенной
Если рассматривать Вселенную как замкнутую термодинамическую систему, то ее неизбежно ждет погибель. Проще говоря – у всего есть конец. Мы уже рассматривали пять возможных сценариев смерти Вселенной. Тепловая смерть – один из вероятных вариантов кончины всего живого. В конце концов энергии всех видов, включая темную, могут эволюционировать в тепловую. Как только мера хаоса достигнет своего максимального значения, начнется тепловая смерть Вселенной.
Тепловая смерть Вселенной
К такому выводу пришел польский физик Рудольф Клаузиус в далеком 1865-ом. Второй закон термодинамики гласи, что система, которая прекратила обмен энергией с другой системой, будет стремиться прийти к уравновешенному состоянию. И вот этот вселенский баланс как раз может иметь значения, которые приведут к смерти всего живого. Но в XIX веке Клаузиус не учел одну важную деталь – гравитацию. Вселенная – не просто однородная газовая система, в которой частицы заполняют все доступное пространство. Неоднородность частиц космоса, скорее всего, никогда не достигнет максимального значения меры хаоса. Но даже сейчас, спустя более 150 лет, нельзя наверняка сказать: энтропия определяет лишь неупорядоченность Вселенной или же ее смерть.
Источник
Энтропия и тепловая смерть вселенной
Демон Максвелла
Представим себе некоторое устройство, способное различать отдельные молекулы. Такое устройство называется «Демоном» Максвелла. Поместим это устройство в отверстие стенки, разделяющее на две равные части сосуд с газом. Пусть вначале давление и температура в обеих частях сосуда. Теперь пусть устройство пропускает быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую. Это означает, что температура газа в одной половинке сосуда станет больше, чем в другой, что находится в противоречии со вторым началом термодинамики. На самом деле никакого противоречия здесь нет. Это устройство должно быть микроскопическим, поскольку должно приводиться в действие ударами молекул, и оно должно участвовать в беспорядочных тепловых движениях молекул. Поэтому отверстие должно открываться совершенно хаотично, поэтому по нему в обе стороны будут проходить как быстрые, так и медленные молекулы.
В работе «О различных удобных формах основных уравнений механической теории тела» Клаузиус дал краткие формулировки I и II законов ТД.
I закон ТД: Энергия Вселенной постоянна
II закон ТД: Энтропия Вселенной стремится к максимуму.
Неизбежное возрастание энтропии изолированной системы при самопроизвольных необратимых процессах в ней было необоснованно возведено Клаузиусом в универсальный физический закон, не знающий ограничений, и поставлено в ряд с законом сохранения энергии. Оба эти закона, по Клаузиусу, в равной мере определяют состояние Вселенной: «Энергия Вселенной остается постоянной, энтропия Вселенной стремится к максимуму». Это значит, что всегда и везде во Вселенной имеют место превращения всех видов энергии в теплоту и постепенное выравнивание температур.
Таким образом, согласно Клаузиусу, все процессы, протекающие во Вселенной, должны со временем привести Вселенную к такому состоянию, при котором все жизненные системы замрут. Такое состояние принято называть смертью Вселенной. Утверждение Клаузиуса дало почву для появления теории «тепловой смерти» Вселенной. Концепция «тепловой смерти» неминуемо приводит к признанию начала в существовании Вселенной (т.е. Вселенная живет недолго и еще не пришла в состояние тепловой смерти), или кто-то со стороны вмешивается в эволюцию вселенной не давая ей развиваться в состояние тепловой смерти. «Эта неизбежная судьба, предвидимая для вселенной, красноречиво свидетельствует о существовании Высшего Существа» заявил папа Пий XII на заседании Ватиканской Академии наук в ноябре 1951 г.
Больцман в ответ на теорию «тепловой» смерти высказал мысль, что эта теория противоречит статистическому толкованию энтропии. Поэтому, если и обычная термодинамика, и статистика в равной мере применимы к бесконечной системе, которой является Вселенная, то и тогда на их основе невозможно прийти к выводу о «тепловой смерти». Действительно, в такой системе имели бы место флуктуации, т.е. случайные отклонения системы от равновесного состояния, размеры которых в масштабе Вселенной могли бы быть значительными, по крайней мере, в сравнении с размерами нашего мира. Т. е. согласно Больцману, Вселенная находится в состоянии термодинамического равновесия, но в ней возможны флуктуации, в одной из которых мы и живем.
Против флуктуационной гипотезы Больцмана был выдвинут ряд возражений. Основным возражением было то, что вероятность больших флуктуаций очень и очень мала.
Ни концепция тепловой смерти, ни флуктуационная гипотеза не учитывают специфики Вселенной, как гравитирующую системы. В то время как для идеального газа наиболее вероятным является равномерное распределение частей в пространстве в системе гравитирующих частиц, однородное распределение не соответствует максимальной энтропии. В силу этого, образование звезд и галактик является естественным процессом, идущим с возрастанием энтропии. В настоящее время вопрос о тепловой смерти системы стоит иначе, чем во времена Клаузиуса и Больцмана. В соответствии с современными данными, наша метагалактика является расширяющейся системой, следовательно, является нестационарной. Поэтому, вопрос о тепловой смерти системы нельзя даже и ставить. Необратимое возрастание энтропии в замкнутых системах обусловливает отличие будущих событий от предыдущих.
Это привело некоторых ученных к мысли использования II начала термодинамики для определения роста времени. В работах 1960-63 гг. американский ученый Хойл предлагал определять в положительном направлении течения времени по расширению Вселенной. Если до этого Вселенная сжималась, то по Хойлу, время текло в обратную сторону. Здесь нарушаются логические законы для причинного порядка, не явно используются понятия внешнего порядка. Связь между ними необходимо вывести.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Вездесущая энтропия: от смерти Вселенной до груды грязной посуды
Михаил Петров
«Все процессы в мире происходят с увеличением энтропии» — эта расхожая формулировка превратила энтропию из научного термина в непреложное свидетельство обреченной борьбы человека с окружающим его беспорядком. Но что в оригинале скрывается за этой физической величиной? И как можно посчитать энтропию? «Теории и практики» попытались разобраться в этом вопросе и найти спасение от надвигающегося распада.
Термодинамика и «тепловая смерть»
Впервые термин «энтропия» в 1865 году ввел немецкий физик Рудольф Клаузиус. Тогда он имел узкое значение и использовался в качестве одной из величин для описания состояния термодинамических систем — то есть, физических систем, состоящих из большого количества частиц и способных обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Проблема заключалась в том, что до конца сформулировать, что именно характеризует энтропия, ученый не смог. К тому же, по предложенной им формуле можно было определить только изменение энтропии, а не ее абсолютное значение.
Упрощенно эту формулу можно записать как dS = dQ/T. Это означает, что разница в энтропии двух состояний термодинамической системы (dS) равна отношению количества тепла, затраченного на то, чтобы изменить первоначальное состояние (dQ), к температуре, при которой проходит изменение состояния (T). Например, чтобы растопить лед, нам требуется отдать ему некоторое количество тепла. Чтобы узнать, как изменилась энтропия в процессе таяния, нам нужно будет поделить это количество тепла (оно будет зависеть от массы льда) на температуру плавления (0 градусов по Цельсию = 273, 15 градусов по Кельвину. Отсчет идет от абсолютного нуля по Кельвину ( — 273° С ), поскольку при этой температуре энтропия любого вещества равна нулю). Так как обе величины положительны, при подсчете мы увидим, что энтропии стало больше. А если провести обратную операцию — заморозить воду (то есть, забрать у нее тепло), величина dQ будет отрицательной, а значит, и энтропии станет меньше.
Примерно в одно время с этой формулой появилась и формулировка второго закона термодинамики: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться». Выглядит похоже на популярную фразу, упомянутую в начале текста, но с двумя важными отличиями. Во-первых, вместо абстрактного «мира» используется понятие «изолированная система». Изолированной считается та система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Во-вторых, категорическое «увеличение» меняется на осторожное «не убывает» (для обратимых процессов в изолированной системе энтропия сохраняется неизменной, а для необратимых — возрастает).
За этими скучноватыми нюансами скрывается главное: второй закон термодинамики нельзя без оглядки применять ко всем явлениям и процессам нашего мира. Хороший тому пример привел сам Клаузиус: он считал, что энтропия Вселенной постоянно растет, а потому когда-нибудь неизбежно достигнет своего максимума — «тепловой смерти». Этакой физической нирваны, в которой не протекают уже никакие процессы. Клаузиус придерживался этой пессимистической гипотезы до самой смерти в 1888 году — на тот момент научные данные не позволяли ее опровергнуть. Но в 1920-х гг. американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная расширяется, а значит, ее
сложно назвать изолированной термодинамической системой. Поэтому современные физики к мрачным прогнозам Клаузиуса относятся вполне спокойно.
Энтропия как мера хаоса
Поскольку Клаузиус так и не смог сформулировать физический смысл энтропии, она оставалась абстрактным понятием до 1872 года — пока австрийский физик Людвиг Больцман не вывел новую формулу, позволяющий рассчитывать ее абсолютное значение. Она выглядит как S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, имеющая неизменное значение, W — статистический вес состояния). Благодаря этой формуле энтропия стала пониматься как мера упорядоченности системы.
Как это получилось? Статистический вес состояния — это число способов, которыми можно его реализовать. Представьте рабочий стол своего компьютера. Сколькими способами на нем можно навести относительный порядок? А полный беспорядок? Получается, что статистический вес «хаотичных» состояний гораздо больше, а, значит больше и их энтропия. Посмотреть подробный пример и рассчитать энтропию собственного рабочего стола можно здесь.
В этом контексте новый смысл приобретает второй закон термодинамики: теперь процессы не могут самопроизвольно протекать в сторону увеличения порядка. Но и тут не стоит забывать про ограничения закона.
Иначе человечество уже давно было бы в рабстве у одноразовой посуды. Ведь каждый раз, когда мы моем тарелку или кружку, нам на помощь приходит простейшая самоорганизация. В составе всех моющих средств есть поверхно-активные вещества (ПАВ). Их молекулы составлены из двух частей: первая по своей природе стремится к контакту с водой, а другая его избегает.
При попадании в воду молекулы «Фэйри» самопроизвольно собираются в «шарики», которые обволакивают частички жира или грязи (внешняя поверхность шарика это те самые склонные к контакту с водой части ПАВ, а внутренняя, наросшая вокруг ядра из частички грязи — это части, которые контакта с водой избегают). Казалось бы, этот простой пример противоречит второму закону термодинамики. Бульон из разнообразных молекул самопроизвольно перешел в некое более упорядоченное состояние с меньшей энтропией. Разгадка снова проста: систему «Вода-грязная посуда после вечеринки», в которую посторонняя рука капнула моющего средства, сложно считать изолированной.
Черные дыры и живые существа
Со времен появления формулы Больцмана термин «энтропия» проник практически во
все области науки и оброс новыми парадоксами. Возьмем, к примеру астрофизику и пару «черная дыра — падающее в нее тело». Ее вполне можно считать изолированной системой, а значит, ее энтропия такой системы должна сохраняться. Но она бесследно исчезает в черной дыре — ведь оттуда не вырваться ни материи, ни излучению. Что же происходит с ней внутри черной дыры?
Некоторые специалисты теории струн утверждают, что эта энтропия превращается в энтропию черной дыры, которая представляет собой единую структуру, связанную из многих квантовых струн (это гипотетические физические объекты, крошечные многомерные структуры, колебания которых порождают все элементарные частицы, поля и прочую привычную физику). Впрочем, другие ученые предлагают менее экстравагантный ответ: пропавшая информация, все-таки возвращается в мир вместе с излучением, исходящим от черных дыр.
Еще один парадокс, идущий вразрез со вторым началом термодинамики — это существование и функционирование живых существ. Ведь даже живая клетка со всеми ее биослоями мембран, молекулами ДНК и уникальными белками — это высокоупорядоченная структура, не говоря уже о целом организме. За счет чего существует система с такой низкой энтропией?
Этим вопросом в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» задался знаменитый Эрвин Шредингер, создатель того самого мысленного эксперимента с котом: «Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается».
Точнее организм питается углеводами, белками и жирами. Высокоупорядоченными, часто длинными молекулами со сравнительно низкой энтропией. А взамен выделяет в окружающую среду уже гораздо более простые вещества с большей энтропией. Вот такое вечное противостояние с хаосом мира.
Источник