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:

1. 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.

2. 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!