Светът на физиката ентропия
Ентропията често се разбира погрешно като вид „разстройство“. Но това не стига достатъчно далеч. Веднъж въведен, за да обясни ограничената ефективност на парните машини, сега терминът се използва и в много други дисциплини.
Едва ли някой друг термин във физиката е толкова популярен извън физиката - и толкова често се отклонява от действителното му значение - като този на ентропията. Терминът има много тясно значение. Австрийският физик Лудвиг Болцман излезе с конкретна дефиниция на тази физическа величина през втората половина на 19 век. Той се фокусира върху микроскопичното поведение на течност, т.е. газ или течност. Той разбрал разстроеното движение на атоми или молекули в него като топлина, което било решаващо за неговото определение.
Ентропия във ваната
В затворена система с фиксиран обем и фиксиран брой частици, заяви Болцман, ентропията е пропорционална на логаритъма на броя на микросъстоянията в системата. Под микросъстояния той разбира всички начини, по които молекулите или атомите на уловената течност могат да се подредят. Неговата формула определя ентропията като мярка за „свободата на подреждане” на молекулите и атомите: ако броят на микросъстоянията, които могат да бъдат уловени, се увеличава, тогава ентропията се увеличава. Ако има по-малко начини, по които частиците от течността могат да се подредят, ентропията е по-малка.
Формулата на Болцман често се тълкува така, сякаш ентропията е синоним на „разстройство“. Тази опростена картина обаче лесно подвежда. Пример за това е пяната във вана: когато мехурчетата се спукат и повърхността на водата стане гладка, бъркотията изглежда намалява. Но ентропията не прави това! Всъщност той действително се увеличава, тъй като след пукването на пяната възможното пространство за задържане на молекулите на течността вече не е ограничено до външната обвивка на везикулите - броят на микросъстоянията, които могат да се консумират, се е увеличил. Ентропията е нараснала.
С помощта на дефиницията на Болцман може да се разбере едната страна на термина - но ентропията има и друга, макроскопична страна, която германският физик Рудолф Клаузиус вече е открил няколко години по-рано. В началото на 18 век е изобретена парната машина, класическа топлинна машина. Топлинните двигатели превръщат температурната разлика в механична работа. Тогава физиците се опитаха да разберат на какви принципи се подчиняват тези машини. Изследователите бяха раздразнени, като установиха, че само няколко процента от топлинната енергия могат да бъдат превърнати в механична енергия. Останалото по някакъв начин се загуби - без да разберат причината.
Стойност на енергията
Изглежда, че в теорията на термодинамиката липсва физическа концепция, която отчита различните валентности на енергията и ограничава възможността за превръщане на топлинната енергия в механична енергия. Решението дойде под формата на ентропия. В средата на 19 век Клавзий въвежда термина като термодинамична величина и го определя като макроскопична мярка на свойство, което ограничава използваемостта на енергията.
Според Клавзиус, промяната в ентропията на системата зависи от доставената топлина и преобладаващата температура. Той заключи, че ентропията винаги се пренася заедно с топлината. В допълнение Клавзий заявява, че ентропията в затворени системи, за разлика от енергията, не е запазено количество. Това знание влезе във физиката като втори закон на термодинамиката:
„В затворена система ентропията никога не намалява.“
Следователно ентропията винаги се увеличава или остава постоянна. Това въвежда стрелка на времето във физиката на затворените системи, тъй като с нарастващата ентропия термодинамичните процеси в затворените системи са необратими (или необратими).
Един процес би бил обратим само ако ентропията остане постоянна. Но това е възможно само на теория. Всички реални процеси са необратими. Според Болцман също може да се каже: Броят на възможните микро състояния се увеличава през цялото време. Тази микроскопска интерпретация разширява термодинамично-макроскопската интерпретация от Клавзий. Ентропията най-накрая реши загадката на енергията, която беше изчезнала в топлинните машини (виж карето). Част от топлинната енергия постоянно се оттегля от механичната използваемост и се освобождава отново, защото ентропията не трябва да намалява в затворените системи.
Универсална употреба
След откритията на Клавзий и Болцман, ентропията се е преместила и в други области на физиката. Той дори е възприет извън физиката, поне като математическа концепция. Например американският математик и електроинженер Клод Шанън въведе така наречената информационна ентропия през 1948 година. С този размер той характеризира загубата на информация при предавания по телефонната линия.
Ентропията също играе роля в химията и биологията: В определени отворени системи могат да се образуват нови структури, ако ентропията се освободи навън. Това трябва да са така наречените дисипативни системи, при които енергията се превръща в топлинна енергия. Тази теория за формирането на структурата идва от белгийския физик-химик Иля Пригожин. Към днешна дата се публикуват произведения, в които се добавят нови аспекти към физическия обхват на концепцията.