
blackmore 22.10.2020
Что такое энтропия?
На сегодня, значение понятия энтропии успешно применяется в физике (термодинамике и статистической физике) и математике (теории информации и теории вероятностей). Для примера рассмотрим раздел физики – термодинамику и раскроем значение понятия энтропии для этой научной дисциплины.
В самом простом виде термодинамика – это изучение взаимосвязи всех форм энергии во Вселенной. Термодинамическая система – это замкнутое пространство, не пропускающее энергию внутрь или наружу, в котором существует экстенсивная функция состояния системы, называемая энтропией.
Что такое энтропия?
Энтропия – это мера беспорядка в системе. Это обширное свойство термодинамической системы, определяющее количество энергии в системе, которая больше не доступна для выполнения механической работы. Энтропия в системе почти всегда увеличивается с течением времени. В уравнениях, как правило, она обозначается буквой и измеряется в джоулях на кельвин на моль ().
Определение энтропии впервые было использовано в научных исследованиях Клаузиуса в 1850 году, как точный способ проверки того, нет ли нарушения второго начала термодинамики конкретным процессом. Второй закон термодинамики, выраженный в терминах энтропии, гласит, что полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной в любом процессе; она никогда не уменьшается.
Если система состоит из термически равновесных подсистем, то ее энтропия равна сумме энтропий подсистем.
Энтропия газа увеличивается при его расширении в вакуум, потому что увеличенный объем допускает больший атомный или молекулярный беспорядок. Чем больше атомов или молекул в составе газа, тем больше беспорядок.
Энтропия изолированной системы остается постоянной при любом обратимом изменении, увеличивается при любом естественном изменении и достигает максимума в состоянии равновесия.
Формулы расчета энтропии
Известно несколько методов расчета энтропии, но самые распространенные:
- Энтропия обратимого процесса.
Для очень большой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, энтропия S пропорциональна натуральному логарифму величины Wt (термодинамическая вероятность) – максимальное число микросостояний, необходимых для реализации макроскопического состояния, соответствующего S. То есть, S=k*ln(Wt), где t – постоянная Больцмана, связанная с молекулярной энергией.
- Энтропия изотермического (с постоянной температурой) процесса.
По определению Клаузиуса, если количество тепла Q поступает в большой резервуар при температуре выше абсолютного нуля, то энтропия увеличивается ΔS=Q/t.
Полное изменение энтропии системы в любом обратимом процессе равно нулю. Кроме того, система не влияет на энтропию своего окружения. Иногда об этом говорят так: «обратимые процессы не влияют на полную энтропию Вселенной».
Энтропия вселенной
Вселенная расширяется адиабатически, то есть с постоянной энтропией. Так что же вызывает увеличение энтропии?
Ответ - черные дыры. Количество состояний прямо пропорционально массам частиц в черной дыре, поэтому, чем их больше, тем больше увеличивается энтропия во Вселенной. Одна только сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути имеет энтропию примерно в 1000 раз больше, чем у всей Вселенной во время Большого взрыва.
Если бы не было черных дыр, то энтропия Вселенной была бы почти постоянной в течение последних 13,8 миллиардов лет.
В любом случае, Вселенная предназначена для термодинамического равновесия – максимальной энтропии. Это часто называют тепловой смертью Вселенной. Однако независимо от того, сжимается и нагревается Вселенная или продолжает расширяться и остывать, конец не близок. Расчеты черных дыр предполагают, что энтропия может легко сохраняться как минимум лет.
Надеемся, что материал был полезен для вас. Возникающие вопросы можете оставлять в комментариях. Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею, чтобы все имели возможность ее найти!