Εντροπία και Θερμοδυναμική

Η εντροπία και η θερμοδυναμική μετρούν τον όγκο της διαταραχής σε ένα φυσικό ή βιολογικό σύστημα. Είναι μια έννοια της επιστήμης και της φυσικής ιδιοκτησίας που μπορεί να μετρηθεί και έχει μια κοινή σύνδεση ή συσχέτιση με το φαινόμενο της αβεβαιότητας, της διαταραχής ή της τυχαιότητας. Αυτός ο όρος και η έννοια χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς, από την κλασική θερμοδυναμική μέχρι την μικροσκοπική περιγραφή της φύσης στη στατιστική φυσική και τις αρχές της θεωρίας πληροφοριών. Έχει πολλαπλές χρήσεις στη χημεία, τη φυσική, τα βιολογικά συστήματα και την άμεση σχέση τους με τη ζωή και τη ζωή, στην κοσμολογία, την οικονομία, την κοινωνιολογία, την επιστήμη του καιρού, την κλιματική αλλαγή και τα συστήματα πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένης της μετάδοσης πληροφοριών στις τηλεπικοινωνίες. Εάν το επίπεδο εντροπίας είναι πολύ υψηλό σε ένα σύστημα, δεν μπορούμε να έχουμε επαρκείς πληροφορίες για αυτό το σύστημα. Επομένως, οι πληροφορίες είναι μια μορφή αρνητικής εντροπίας.

Ανακάλυψη της εντροπίας και της θερμοδυναμικής 

Το 1850, η θερμοδυναμική αναφέρθηκε ως «θερμοδυναμική συνάρτηση» και «δυναμικό θερμότητας» από τον Macquorn Rankine, έναν Σκωτσέζο επιστήμονα και μηχανικό. Στη συνέχεια, το 1865, ένας Γερμανός φυσικός ονόματι Rudolf Clausius, ο οποίος ήταν ένας από τους ιδρυτές του τομέα της θερμοδυναμικής, το όρισε ως το πηλίκο μιας μικρής ποσότητας θερμότητας προς τη στιγμιαία θερμοκρασία.

Τότε ένας Αυστριακός φυσικός ονόματι Ludwig Boltzmann εξήγησε την εντροπία και τη θερμοδυναμική σημασία. Σύμφωνα με αυτόν, η εντροπία είναι το μέτρο πολλών μικροσκοπικών διατάξεων ή μεμονωμένων καταστάσεων ατόμων και μορίων που συμμορφώνονται με τη μακροσκοπική συνθήκη του συστήματος. Παρουσίασε έτσι την έννοια της στατιστικής διαταραχής και των κατανομών πιθανοτήτων σε ένα νέο πεδίο της θερμοδυναμικής που ονομάζεται στατιστική μηχανική. Βρήκε τη σύνδεση μεταξύ μικροσκοπικών αλληλεπιδράσεων που συνεχίζουν να κυμαίνονται γύρω από μια μέση διαμόρφωση με τη μορφή ενός απλού λογαριθμικού νόμου με μια σταθερά αναλογικότητας που ονομάζεται σταθερά Boltzmann. Είναι ένα από τα πρότυπα και καθοριστικές καθολικές σταθερές για το σύγχρονο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI).

Το 1948, ένας επιστήμονας ονόματι Claude Shannon παρουσίασε το ίδιο είδος στατιστικών εννοιών για τη μέτρηση της αβεβαιότητας και της πολλαπλότητας του προβλήματος των τυχαίων απωλειών πληροφοριών στα σήματα των τηλεπικοινωνιών. Ακολουθώντας την πρόταση του John von Neumann, ο Shannon ονόμασε αυτή την οντότητα των πληροφοριών που λείπουν στη στατιστική μηχανική «εντροπία», γεννώντας το πεδίο της θεωρίας πληροφοριών. Επιπλέον, αυτός ο ορισμός αναγνωρίζεται ως καθολικός ορισμός της έννοιας της εντροπίας.

Η εντροπία έχει κάποια αποτελέσματα, από τα οποία ορισμένες διεργασίες είναι αμετάβλητες και μη αναστρέψιμες. Η έννοια της εντροπίας είναι εμφανής στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Η εντροπία των απομονωμένων συστημάτων που αφήνονται να εξελιχθούν αυθόρμητα δεν μπορεί να μειωθεί με το χρόνο καθώς φτάνουν πάντα σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας όπου η εντροπία είναι η υψηλότερη.

Σύμφωνα με τον Alfred Wehrl, η εντροπία κάνει μια σχέση μεταξύ μακροσκοπικών και μικροσκοπικών πτυχών της φύσης για να γνωρίζει τη συμπεριφορά των μακροσκοπικών συστημάτων ή της πραγματικής ύλης σε ισορροπία ή κοντά σε ισορροπία. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της ποσότητας του χάους σε ένα μικροσκοπικό σύστημα. Η έννοια της εντροπίας πρωτοεμφανίστηκε στο πεδίο της θερμοδυναμικής. Επιπλέον, η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της ενέργειας. Είναι η ικανότητα εκτέλεσης εργασίας και η μετατροπή μεταξύ διαφόρων μορφών ενέργειας όπως η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος, η θερμότητα και η εργασία. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής προέρχονται από τη στατιστική μηχανική. Υπάρχουν τρεις νόμοι της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο, η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, αλλά μπορεί να αλλάξει μόνο από τη μια μορφή στην άλλη. Υπάρχει μια διατύπωση αυτού του πρώτου νόμου, ο οποίος δηλώνει ότι η ποσότητα της θερμότητας που ρέει σε ένα σύστημα είναι ίση με το άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας και του έργου που επιτελείται από το σύστημα.

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ή να σχηματιστεί μια διαδικασία που έχει το μοναδικό αποτέλεσμα να αφαιρεί θετική θερμότητα από μια δεξαμενή και να τη μετατρέπει σε θετικό έργο. Έχει μια διατύπωση για αυτό, η οποία δηλώνει ότι η εντροπία ενός κλειστού συστήματος δεν μειώνεται ποτέ ανεξάρτητα από τη μέθοδο που εμφανίζεται στο σύστημα. Αυτός ο νόμος δείχνει ότι καμία από τις θερμικές μηχανές δεν μπορεί να έχει και να διαχειριστεί εκατό τοις εκατό απόδοση. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η πλήρης εντροπία ενός κλειστού συστήματος δεν μπορεί να μειωθεί. Ωστόσο, σε ένα σύστημα, η εντροπία ενός συστήματος μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας την εντροπία ενός άλλου συστήματος.

Σύμφωνα με τον τρίτο θερμοδυναμικό νόμο, η εντροπία ενός συστήματος σε μηδενική απόλυτη θερμοκρασία είναι μια καθορισμένη και σταθερή σταθερά. Είναι επίσης επειδή τα περισσότερα συστήματα σε μηδενική θερμοκρασία είναι παρόντα στις θεμελιώδεις καταστάσεις τους και η εντροπία είναι γνωστή από τον εκφυλισμό της βασικής κατάστασης.

Εντροπία και θερμικός θάνατος του σύμπαντος

Σύμφωνα με ορισμένους επιστήμονες, η εντροπία του σύμπαντος μια μέρα θα αυξηθεί σε τέτοιο σημείο όπου η τυχαιότητα και η ανισορροπία θα σχηματίσουν ένα σύστημα που δεν θα μπορεί να κάνει παραγωγική εργασία. Το σύμπαν θα θεωρούνταν νεκρό από θερμικό θάνατο όταν θα παραμείνει μόνο η θερμική ενέργεια. Ωστόσο, ορισμένοι άλλοι επιστήμονες δεν συμφωνούν με τη θεωρία του θερμικού θανάτου. Μερικοί λένε ότι το σύστημα του σύμπαντος απομακρύνεται από την εντροπία ακόμη και όταν οι περιοχές σε αυτό αυξάνονται σε εντροπία. Σύμφωνα με κάποιους άλλους, το σύμπαν είναι μέρος ενός πιο εκτεταμένου συστήματος.

Παραδείγματα εντροπίας και θερμοδυναμικής

Ένα κομμάτι πάγου θα αυξηθεί σε εντροπία εάν λιώσει. Επιπλέον, είναι εύκολο να δούμε ότι η διαταραχή του συστήματος αυξάνεται. Ο πάγος αποτελείται από μόρια νερού που συνδέονται σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Όταν ο πάγος λιώνει, τα μόρια παίρνουν περισσότερη ενέργεια και εξαπλώνονται περαιτέρω και χάνουν την κατάσταση για να σχηματίσουν υγρό. Με τον ίδιο τρόπο, η αλλαγή φάσης από υγρό σε αέριο, όπως από νερό σε ατμό, οδηγεί στο σύστημα να παίρνει περισσότερη ενέργεια. Η ενέργεια του συστήματος μπορεί επίσης να μειωθεί όταν ο ατμός αλλάζει τη φάση του για να σχηματίσει νερό ή όταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος δεν επηρεάζεται επειδή η ύλη δεν ανήκει σε ένα περιορισμένο σύστημα. Η εντροπία του συστήματος μπορεί να μειωθεί, αλλά αυξάνει αυτή του περιβάλλοντος.

Η εντροπία και η σχέση της με το χρόνο

Η εντροπία αποκαλείται συχνά το «βέλος του χρόνου» επειδή η ύλη σε μεμονωμένα συστήματα μετακινείται από τάξη σε αταξία.

Η εντροπία είναι η «κατάσταση αταξίας» σε ένα σύστημα με απλά λόγια. Αποτελεί τον δεύτερο και τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος αφορά τις καθολικές αλλαγές στην εντροπία ανάλογα με το περιβάλλον και το σύστημα και την ουσιαστική εντροπία, αντίστοιχα.

Microstates

Σύμφωνα με τα λεξικά, «macro» σημαίνει μεγάλο και «micro» σημαίνει μικρό, αλλά μια μακροκατάσταση και μια μικροκατάσταση δεν ορίζουν τεράστια και μικρά μεγέθη σε χημικά συστήματα στη θερμοδυναμική. Εναλλακτικά, βλέπουν το σύστημα με δύο πολύ διαφορετικές μεθόδους. Μια μικροκατάσταση περιλαμβάνει έναν από τους μεγάλους αριθμούς διαφόρων διατάξεων που είναι προσβάσιμες στην κινητική ενέργεια των μορίων σε σχέση με μια συγκεκριμένη μακροκατάσταση.

Εντροπία στατιστικών

Η εντροπία κάνει μια συνάρτηση κατάστασης που ονομάζεται διαταραγμένη κατάσταση του συστήματος. Από ποιοτική άποψη, η εντροπία είναι ένα απλό μέτρο της ατομικής και μοριακής ενέργειας που μπορεί να επεκταθεί σε μια διεργασία και μπορεί να καθοριστεί από την άποψη της πιθανότητας στατιστικών στοιχείων σε ένα σύστημα ή άλλων ποσοτήτων θερμοδυναμικής.

Η εντροπία των στατιστικών σε σχέση με τη μάζα, την ενέργεια και την ελευθερία

Η ενέργεια ή η ουσία ενός τμήματος του σύμπαντος μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο μόνο εάν συμβεί ταυτόχρονο κέρδος ή απώλεια του τμήματος του σύμπαντος σε κάποιο άλλο μέρος. Η ελευθερία του σύμπαντος σε αυτό το συγκεκριμένο τμήμα μπορεί να αυξηθεί, αλλά δεν θα υπάρχει διαφορά στην υπόλοιπη ελευθερία του σύμπαντος. Μπορεί να υπάρξει μείωση στην υπόλοιπη ελευθερία του σύμπαντος, αλλά τελικά το σύνολο του κέρδους και της απώλειας θα πρέπει να αποτελέσει καθαρή αύξηση.

Συμπέρασμα

Η εντροπία και η θερμοδυναμική είναι εξέχουσες και σημαντικές έννοιες στη φυσική και τη χημεία και είναι εφαρμόσιμες σε άλλους κλάδους όπως η κοσμολογία και η οικονομία. Στη φυσική, περιλαμβάνει το μέρος της θερμοδυναμικής, και στη χημεία, είναι μια κεντρική έννοια στη φυσική χημεία. Με απλά λόγια, είναι ένα μέτρο της αταξίας και της τυχαιότητας ενός συστήματος. Είναι μια ιδιότητα ενός θερμοδυναμικού συστήματος που σημαίνει ότι η τιμή του αλλάζει ανάλογα με την ποσότητα της παρούσας ύλης. Η τιμή της εντροπίας εξαρτάται από τη μάζα ενός συστήματος. Συμβολίζεται με το γράμμα S και περιλαμβάνει μονάδες τζάουλ ανά Κέλβιν. Η εντροπία μπορεί να έχει θετική ή αρνητική τιμή. Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η εντροπία ενός συστήματος μπορεί να μειωθεί μόνο εάν αυξηθεί η εντροπία ενός άλλου συστήματος. Ένα σύστημα υψηλής τάξης έχει χαμηλή εντροπία.