Энтропия – это слово, которое многие слышали, но мало кто понимает. И стоит признать, что до конца осознать всю сущность этого явления действительно сложно. Однако это не должно нас пугать. Очень многое из того, что нас окружает, мы, по сути, объяснить можем лишь поверхностно. И речь не идет о восприятии или знании какого-то конкретного индивидуума. Нет. Мы говорим обо всей совокупности научных знаний, которыми располагает человечество.
Серьезные пробелы имеются не только в знаниях галактических масштабов, например, в вопросах о черных дырах и червоточинах, но и в том, что окружает нас постоянно. Например, до сих пор ведутся споры о физической природе света. А кто может разложить по полочкам понятие времени? Подобных вопросов - великое множество. Но в этой статье речь пойдет именно об энтропии. Многие годы ученые бьются над понятием "энтропия". Химия и физика рука об руку идут в изучении этого загадочного явления. Мы постараемся выяснить, что же стало известно к нашему времени.
Введение понятия в научном кругу
Впервые понятие энтропии в среду специалистов ввел выдающийся немецкий математик Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус. Если говорить простым языком, ученый решил выяснить, куда девается энергия. В каком смысле? Для иллюстрации не будем обращаться к многочисленным опытам и сложным умозаключениям математика, а возьмем пример, больше знакомый нам по повседневной жизни.
Вам должно быть прекрасно известно, что когда вы заряжаете, скажем, аккумулятор мобильного телефона, количество энергии, которое аккумулируется в элементы питания, будет меньше реально полученной от сети. Происходят определенные потери. И в повседневной жизни мы к этому привыкли. Но дело в том, что подобные потери происходят и в других замкнутых системах. А для физиков-математиков это уже представляет серьезную проблему. Исследованием этого вопроса и занимался Рудольф Клаузиус.
В результате он вывел прелюбопытнейший факт. Если мы, опять-таки, уберем сложную терминологию, он сведется к тому, что энтропия – это разница между идеальным и реальным процессом.
Представьте, что вы владеете магазином. И вы получили под реализацию 100 килограмм грейпфрутов по цене 10 тугриков за килограмм. Поставив наценку в 2 тугрика на кило, вы в результате продажи получите 1200 тугриков, отдадите положенную сумму поставщику и оставите себе прибыль в размере двухсот тугриков.
Так вот, это было описание процесса идеального. И любой торговец знает, что к тому времени, как продадутся все грейпфруты, они успеют усохнуть на 15 процентов. А 20 процентов и вовсе сгниют, и их придется просто списать. А вот это уже процесс реальный.
Так вот, понятие энтропии, которое ввел в математическую среду Рудольф Клаузиус, определяется как взаимосвязь системы, в которой прирост энтропии зависит от отношения температуры системы к значению абсолютного нуля. По сути, оно показывает значение отработанной (потерянной) энергии.
Показатель меры хаоса
Еще можно с некоторой долей убежденности утверждать, что энтропия – это мера хаоса. То есть если взять в качестве модели замкнутой системы комнату обычного школьника, то не убранная на место школьная форма будет уже характеризовать некоторую энтропию. Но ее значение в этой ситуации будет небольшим. А вот если в дополнение к этому раскидать игрушки, принести с кухни попкорн (естественно, немного уронив) и оставить в беспорядке на столе все учебники, то энтропия системы (а в данном конкретном случае - этой комнаты) резко повысится.
Сложные материи
Энтропия вещества - очень сложный для описания процесс. Многие ученые на протяжении последнего столетия внесли свой вклад в изучение механизма ее работы. Причем понятие энтропии используют не только математики и физики. Она также занимает заслуженное место в химии. А некоторые умельцы с ее помощью объясняют даже психологические процессы в отношениях между людьми. Проследим разницу в формулировках трех физиков. Каждая из них раскрывает энтропию с другой стороны, а их совокупность поможет нам нарисовать для себя более целостную картину.
Утверждение Клаузиуса
Невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.
Убедиться в этом постулате несложно. Вы никогда не сможете холодными руками согреть, скажем, замерзшего маленького щенка, как бы вам ни хотелось ему помочь. Поэтому придется засунуть его за пазуху, где температура выше, чем у него в данный момент.
Утверждение Томсона
Невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела.
А если совсем просто, то это означает, что физически невозможно сконструировать вечный двигатель. Не позволит энтропия замкнутой системы.
Утверждение Больцмана
Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах, то есть в тех, что не получают внешней энергетической подпитки.
Эта формулировка пошатнула веру многих приверженцев теории эволюции и заставила их всерьез задуматься о наличии у Вселенной разумного Творца. Почему?
Потому что по умолчанию в замкнутой системе энтропия всегда увеличивается. А значит, усугубляется хаос. Уменьшить ее можно лишь благодаря внешней энергетической подпитке. И этот закон мы наблюдаем каждый день. Если не ухаживать за садом, домом, машиной и т. д., то они попросту придут в негодность.
В мегамасштабах наша Вселенная – тоже замкнутая система. И ученые пришли к выводу, что само наше существование должно свидетельствовать о том, что откуда-то эта внешняя подпитка энергией происходит. Поэтому сегодня никого не удивляет то, что астрофизики верят в Бога.
Стрела времени
Еще одну весьма остроумную иллюстрацию энтропии можно представить в виде стрелы времени. То есть энтропия показывает, в какую сторону будет двигаться процесс в физическом отношении.
И действительно, вряд ли, узнав об увольнении садовника, вы будете ожидать, что территория, за которую он отвечал, станет более аккуратной и ухоженной. Как раз наоборот – если не нанять другого работника, через какое-то время даже самый красивый сад придет в запустение.
Энтропия в химии
В дисциплине "Химия" энтропия является важным показателем. В некоторых случаях ее значение влияет на протекание химических реакций.
Кто не видел кадров из художественных фильмов, в которых герои очень аккуратно переносили емкости с нитроглицерином, опасаясь спровоцировать взрыв неосторожным резким движением? Это было наглядным пособием к принципу действия энтропии в химическом веществе. Если бы ее показатель достиг критической отметки, то началась бы реакция, в результате которой происходит взрыв.
Порядок беспорядка
Чаще всего утверждают, что энтропия – это стремление к хаосу. Вообще слово «энтропия» означает превращение или поворот. Мы уже говорили, что оно характеризирует действие. Очень интересна в этом контексте энтропия газа. Давайте попробуем представить, как она происходит.
Берем замкнутую систему, состоящую из двух соединенных емкостей, в каждой из которых находится газ. Давление в емкостях, пока они не были герметично соединены между собой, было разным. Представьте, что произошло на молекулярном уровне, когда их соединили.
Толпа молекул, находившаяся под более сильным давлением, тут же устремилась к своим собратьям, жившим до того достаточно вольготно. Тем самым они увеличили там давление. Это можно сравнить с тем, как плещется вода в ванной. Набежав на одну сторону, она тут же устремляется к другой. Так же и наши молекулы. И в нашей идеально изолированной от внешнего воздействия системе они будут толкаться до тех пор, пока во всем объеме не установится безукоризненное равновесие. И вот, когда вокруг каждой молекулы будет ровно столько же пространства, сколько и у соседней, все успокоится. И это будет наивысшая энтропия в химии. Повороты и превращения прекратятся.
Стандартная энтропия
Ученые не оставляют попыток упорядочить и классифицировать даже беспорядок. Так как значение энтропии зависит от множества сопутствующих условий, было введено понятие «стандартная энтропия». Значения этих стандартов сведены в специальные таблицы, чтобы можно было легко проводить вычисления и решать разнообразные прикладные задачи.
По умолчанию значения стандартной энтропии рассматривают при условиях давления в одну атмосферу и температуры в 25 градусов Цельсия. При повышении температуры данный показатель также растет.
Коды и шифры
Существует еще и информационная энтропия. Она призвана помогать в шифровке кодированных посланий. В отношении информации энтропия – это значение вероятности предсказуемости информации. А если совсем простым языком, то это то, насколько легко будет взломать перехваченный шифр.
Как это работает? На первый взгляд кажется, что без хоть каких-нибудь исходных данных понять закодированное послание нельзя. Но это не совсем так. Тут в дело вступает вероятность.
Представьте себе страницу с шифрованным посланием. Вам известно, что использовался русский язык, но символы абсолютно незнакомые. С чего начать? Подумайте: какова вероятность того, что на этой странице встретится буква «ъ»? А возможность наткнуться на литеру «о»? Систему вы поняли. Высчитываются символы, которые встречаются чаще всего (и реже всего – это тоже немаловажный показатель), и сопоставляются с особенностями языка, на котором было составлено послание.
Кроме того, существуют частые, а в некоторых языках и неизменные буквосочетания. Эти знания также используются для расшифровки. Кстати, именно этот способ использовал знаменитый Шерлок Холмс в рассказе «Пляшущие человечки». Таким же образом взламывали коды в преддверии Второй мировой войны.
А информационная энтропия призвана увеличить надежность кодировки. Благодаря выведенным формулам математики могут анализировать и улучшать предлагаемые шифровщиками варианты.
Связь с темной материей
Теорий, которые пока только ждут своего подтверждения, великое множество. Одна из них связывает явление энтропии со сравнительно недавно открытой темной материей. Она гласит, что утраченная энергия просто преобразуется в темную. Астрономы допускают, что в нашей Вселенной всего 4 процента приходится на известную нам материю. А остальные 96 процентов заняты неизученной на данный момент – темной.
Такое название она получила из-за того, что не взаимодействует с электромагнитным излучением и не испускает его (как все известные до этого времени объекты во Вселенной). А потому на данном этапе развития науки изучение темной материи и ее свойств не представляется возможным.
