Необходимая информация о всех видах животных, начиная с самых популярных собак и кошек, заканчивая редкими и экзотическими. Задавайте вопросы, пишите комментарии, делитесь своим опытом.
Общепринятая в физике формулировка второго начала термодинамики гласит, что в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию максимальной энтропии.
Отличительной же особенностью живых тел, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояния с низкой энтропией. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. В отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F и энтропию через S, то полная энергия системы Е будет равна:
E = F + ST;
где Т — абсолютная температура по Кельвину.
По определению физика Э. Шредингера: «жизнь — упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. — . средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды».
У высших животных нам хорошо известен тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях служит им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградированной форме, однако, не вполне деградированной, так как их еще могут усваивать растения.
Для растений мощным источником «отрицательной энтропии» — негэнтропии — является солнечный свет.
Свойство живых систем извлекать упорядоченность из окружающей среды дало основание некоторым ученым сделать вывод, что для этих систем второе начало термодинамики не выполняется. Однако второе начало имеет еще и другую, более общую формулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит, что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100%. В соответствии со вторым началом термодинамики поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно.
Обратимся снова к Э. Шредингеру: «Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию — максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т.е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию».
Перенос энергии в экосистемах и ее потери
Как известно, в экосистемах перенос энергии пищи от ее источника — растений — через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, проходит через пищевую цепь. При каждом очередном переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Переход к каждому следующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 10 раз. Экологическая энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия на каждом последующем уровне теряется (рис. 1).
Эффективность природных систем много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт», что не учитывается при расчете КПД двигателей. Любое повышение эффективности биологической системы оборачивается увеличением затрат на их поддержание в устойчивом состоянии. Экологическую систему можно сравнить с машиной, из которой нельзя «выжать» больше, чем она способна дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста эффективности сводится на нет ростом расходов и риском разрушения системы. Прямое удаление человеком или животными более 30-50% годового прироста растительности может уменьшить способность экосистемы сопротивляться стрессу.
Один из пределов биосферы — валовая продукция фотосинтеза, и под него человеку придется подгонять свои нужды, пока не удастся доказать, что усвоение энергии путем фотосинтеза можно сильно повысить, не подвергая при этом опасности нарушить равновесие других, более важных ресурсов жизненного круговорота. Сейчас же поглощается лишь около половины всей лучистой энергии (в основном, в видимой части спектра) и, самое большее, — около 5% — ее в самых благоприятных условиях превращается в продукт фотосинтеза.
Рис. 1. Пирамида энергий. Е — энергия, выделяемая с метаболитами; D = естественные смерти; W — фекалии; R — дыхание
В искусственных экосистемах для получения большего урожая человек вынужден расходовать добавочную энергию. Она необходима для индустриализованного сельского хозяйства, так как этого требуют культуры, специально созданные для него. «Индустриализованное (использующее энергию горючих ископаемых) сельское хозяйство (как, например, практикуемое в Японии) может дать в 4 раза более высокий урожай с гектара, чем сельское хозяйство, в котором всю работу выполняют люди и домашние животные (как в Индии), но оно требует в 10 раз больших затрат разного рода ресурсов и энергии».
Замкнутость производственных циклов по энергетически энтропийному параметру теоретически невозможно, поскольку течение энергетических процессов (в соответствии со вторым началом термодинамики) сопровождается деградацией энергии и повышением энтропии природной среды. Действие второго начала термодинамики выражается в том, что превращения энергии идут в одном направлении в отличие от цикличного движения веществ.
В настоящее время мы являемся свидетелями того, что повышение уровня организации и разнообразия культурной системы уменьшает ее энтропию, но увеличивает энтропию окружающей природной среды, вызывая ее деградацию. В какой степени можно элиминировать эти следствия второго начала термодинамики? Существуют два пути.
Первый путь заключается в уменьшении потерь используемой человеком энергии при ее различных превращениях. Этот путь эффективен в той мере, в которой не приводит к понижению стабильности системы, через которую идет поток энергии (как известно, в экологических системах увеличение числа трофических уровней способствует повышению их устойчивости, но в то же время способствует росту потерь энергии, проходящей через систему).
Второй путь заключается в переходе от повышения упорядоченности культурной системы к повышению упорядоченности всей биосферы. Общество в этом случае повышает организованность природной среды за счет понижения организованности части той природы, которая находится за пределами биосферы Земли.
Превращение веществ и энергии в биосфере как открытой системе
Принципиальное значение для понимания динамики биосферных процессов и конструктивного решения конкретных экологических проблем имеют теория и методы открытых систем, являющиеся одним из важнейших достижений XX столетия.
Согласно классической теории термодинамике, физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения и дезорганизации. При этом энергетическая мера неорганизованности, выраженная энтропией, имеет тенденцию к непрерывному увеличению. Возникает вопрос: каким же образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться живая природа, системы которой в своей эволюции стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации? К тому же, в обществе в целом прогресс очевиден. Следовательно, исходное понятие классической физики — понятие закрытой или изолированной системы не отражает реальности и находится в явном противоречии с результатами исследований в биологии и общественных науках (например, мрачные прогнозы «тепловой смерти» Вселенной). И вполне закономерно, что в 1960-е годы появляется новая (нелинейная) термодинамика, основывающаяся на концепции необратимых процессов. Место закрытой, изолированной системы в ней занимает принципиально иное основополагающее понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Средство, с помощью которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды.
Открытая система, таким образом, заимствует извне либо новое вещество, либо свежую энергию и одновременно выводит во внешнюю среду использованное вещество и отработанную энергию, т.е. она не может оставаться замкнутой. В процессе эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой и производит энтропию. При этом характеризующая степень беспорядка в системе энтропия, в отличие от закрытых систем, не аккумулируется, а транспортируется в окружающую среду. Логичен вывод, что открытая система не может быть равновесной, поскольку требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или богатого ею вещества. По Э. Шредингеру, вследствие такого взаимодействия система черпает из окружающей среды порядок и тем самым привносит в нее беспорядок.
Взаимодействие между экосистемами
Если между двумя системами существует связь, возможен переход энтропии из одной системы в другую, вектор которого определяется значениями термодинамических потенциалов. Здесь-то и проявляется качественное различие между изолированными и открытыми системами. В изолированной системе ситуация остается неравновесной. Процессы идут, пока энтропия не достигнет максимума.
В открытых системах отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. Такого рода условия способствуют возникновению и поддержанию стационарного состояния (типа динамического равновесия), называемого текущим равновесием. В стационарном состоянии энтропия открытой системы остается постоянной, хотя и не является максимальной. Постоянство поддерживается за счет того, что система непрерывно извлекает из окружающей среды свободную энергию.
Динамика энтропии в открытой системе описывается уравнением И.Р. Пригожина (бельгийский физик, лауреат Нобелевской премии 1977 г.):
где ds1/dt— характеристика энтропии необратимых процессов внутри самой системы; dse/dt— характеристика обмена энтропией между биологической системой и окружающей средой.
Саморегулирование флуктуирующих экосистем
Суммарное уменьшение энтропии в результате обмена с внешней средой при определенных условиях может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядоченного состояния. Возникают и возрастают до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом возможна саморегуляция, т.е. возникновение определенных структур из хаотических образований. Такие структуры могут последовательно переходить во все более упорядоченное состояние (дис- сипативные структуры). Энтропия в них убывает.
Диссипативные структуры образуются вследствие развития собственных внутренних неустойчивостей в системе (в результате самоорганизации), что отличает их от организации упорядоченных структур, формирующихся под воздействием внешних причин.
Упорядоченные (диссипативные) структуры, спонтанно возникающие из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации, реализуются и в экологических системах. Примером может служить пространственно упорядоченное расположение бактерий в питательных средах, наблюдающееся при определенных условиях, а также временные структуры в системе «хищник-жертва», отличающиеся устойчивым режимом колебаний с определенной периодичностью численности популяций животных.
Процессы самоорганизации основываются на обмене энергией и массой с окружающей средой. Это и позволяет поддерживать искусственно создаваемое состояние текущего равновесия, когда потери на диссипацию компенсируются извне. С поступлением новой энергии или вещества в системе возрастает неравновесность. В конечном итоге прежние взаимосвязи между элементами системы, определяющие ее структуру, разрушаются. Между элементами системы устанавливаются новые связи, приводящие к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов. Такова общая схема процессов самоорганизации в открытых системах, названная наукой синергетикой.
Концепция самоорганизации, по-новому освещая взаимосвязь неживой и живой природы, позволяет лучше понять, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность самоорганизующихся процессов, которые лежат в основе любого эволюционного развития.
Целесообразно обратить внимание на следующее обстоятельство. Исходя из случайного характера флуктуации следует, что появление нового в мире всегда обусловлено действием случайных факторов.
Возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, в соответствии с которым изменения, возникающие в системе, не устраняются, а накапливаются. В итоге именно это и приводит к возникновению нового порядка и новой структуры.
Точка бифуркации — импульс развития биосферы по новому пути
Открытые системы физической Вселенной (к которым относится и наша биосфера) непрерывно флуктуируют и на определенном этапе могут достигнуть точки бифуркации. Суть бифуркации наиболее наглядно иллюстрирует сказочный витязь, стоящий на распутье. В каком-то месте пути встречается развилка, где необходимо принимать решение. При достижении точки бифуркации принципиально нельзя предугадать, в каком направлении будет дальше развиваться система: перейдет ли она в хаотическое состояние или приобретет новый, более высокий уровень организации.
Для биосферы точка бифуркации — импульс к ее развитию по новому, неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество — предугадать сложно, биосфера же, наиболее вероятно, продолжит свое развитие.
У высших животных нам хорошо известен тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях служит им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградированной форме, однако, не вполне деградированной, так как их еще могут усваивать растения.
ЭНТРОПИЯ — (от греч. entropia поворот, превращение), понятие, впервые введённое в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Э. широко применяется и в др. областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления к.… … Физическая энциклопедия
ЭНТРОПИЯ — ЭНТРОПИЯ, показатель случайности или неупорядоченности строения физической системы. В ТЕРМОДИНАМИКЕ энтропия выражает количество тепловой энергии, пригодной для совершения работы: чем энергии меньше, тем выше энтропия. В масштабах Вселенной… … Научно-технический энциклопедический словарь
Энтропия — мера внутренней неупорядоченности информационной системы. Энтропия увеличивается при хаотическом распределении информационных ресурсов и уменьшается при их упорядочении. По английски: Entropy См. также: Информация Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь
ЭНТРОПИЯ — [англ. entropy Словарь иностранных слов русского языка
Энтропия — Энтропия ♦ Entropie Свойство состояния изолированной (или принимаемой за таковую) физической системы, характеризуемое количеством самопроизвольного изменения, на которое она способна. Энтропия системы достигает максимума, когда она полностью … Философский словарь Спонвиля
ЭНТРОПИЯ — (от греч. entropia поворот превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к… … Большой Энциклопедический словарь
энтропия — беспорядок, разлад Словарь русских синонимов. энтропия сущ., кол во синонимов: 2 • беспорядок (127) • … Словарь синонимов
ЭНТРОПИЯ — (от греч. en в, внутрь и trope поворот, превращение), величина, характеризующая меру связанной энергии (D S), которая в изотермическом процессе не может быть превращена в работу. Она определяется логарифмом термодинамической вероятности и… … Экологический словарь
энтропия — и, ж. entropie f., нем. Entropie <гр. en в, внутрь + trope поворот, превращение. 1. Физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел и возможные изменения этих состояний. Вычисление энтропии. БАС 1. ||… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ЭНТРОПИЯ — ЭНТРОПИЯ, понятие, вводимое в термодинамике и являющееся как бы мерой необратимости процесса, мерой перехода энергии в такую форму, из к рой она не может самопроизвольно перейти в другие формы. Все мыслимые процессы, протекающие в любой системе,… … Большая медицинская энциклопедия
ЭНТРОПИЯ — (от греч. entropia поворот превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к… … Большой Энциклопедический словарь
,
где ΔS — изменение энтропии, ΔQ — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая температура.
Следовательно, количество энергии для преобразования в работу или теплоту непрерывно уменьшается со временем, так как теплота спонтанно переходит из более теплой области к более холодной. Другими словами, количество энергии во вселенной остается постоянным, но ее способность использования для того, чтобы проделать полезную работу, уменьшается при каждой теплопередаче и выполнении работы. Энтропия используется для измерения уменьшения пригодности энергии в результате процесса.
Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы. Системы или вещества с высоким значением энтропии более дезорганизованы, чем с низким. Например, у молекул в твердых телах определенная кристаллическая структура, благодаря чему они лучше организованы, и у них ниже значение энтропии. При сообщении телу теплоты и изменении его состояния на жидкое увеличивается уровень его энтропии, так как кинетическая энергия увеличивает колебания молекул, в результате чего их положение становится случайным.
Энтропия увеличивается, когда жидкость изменяет состояние на газообразное при потреблении большего количества тепловой энергии. Такая же аналогия существует при описании порядка источников энергии. Если энергия заключена в ограниченном источнике, у нее низкое значение энтропии. Если она распределена среди большого количества молекул, ее интенсивность уменьшается, увеличивая энтропию. Например, если 1,05 кДж энергии у 1000 молекул передать 1 миллиону молекул, интенсивность энергии уменьшится, а энтропия возрастет. Энтропию трудно понять, так как это абстрактное понятие беспорядка энергии во вселенной. Этот беспорядок связан с уменьшением пригодности энергии для преобразования в работу. Энергия всегда становится недоступной, если процессы уменьшают ее интенсивность, распространяя ее по вселенной. Если энергия распределена среди бесчисленных молекул вселенной, разница температур самых холодных и самых теплых участков уменьшается. Если разница температур уменьшается, тепловая энергия, которую можно преобразовать в полезную работу, также уменьшается. Следовательно, любой процесс, который производит увеличение энтропии, уменьшает энергию для будущих процессов. В конечном счете наступит момент, когда энтропия вселенной приблизится к максимальному значению, и преобразование теплоты в работу станет невозможным.
Все процессы теплопередачи в конечном счете увеличивают энтропию вселенной. Хотя энтропия двух процессов может показать математическое уменьшение, как в процессе конденсации или переохлаждения энтропия вселенной все равно увеличивается, так как во всех процессах передачи теплоты от более холодных участков более теплым выполняется работа. Данная работа больше увеличивает энтропию, чем уменьшает при теплопередаче жидкости, когда она охлаждается или конденсируется.
Абсолютная энтропия (S) вещества или процесса — это изменение доступной энергии при теплопередаче при данной температуре (Btu/R, Дж/К). Математически энтропия равняется теплопередаче, деленной на абсолютную температуру, при которой происходит процесс. Следовательно, процессы передачи большого количества теплоты больше увеличивают энтропию. Также изменения энтропии увеличатся при передаче теплоты при низкой температуре. Так как абсолютная энтропия касается пригодности всей энергии вселенной, температуру обычно измеряют в абсолютных единицах (R, К).
Удельную энтропию (S) измеряют относительно единицы массы вещества. Температурные единицы, которые используются при вычислении разниц энтропии состояний, часто приводятся с температурными единицами в градусах по Фаренгейту или Цельсию. Так как различия в градусах между шкалами Фаренгейта и Ренкина или Цельсия и Кельвина равные, решение в таких уравнениях будет правильным независимо от того, выражена энтропия в абсолютных или обычных единицах. У энтропии такая же данная температура, как и данная энтальпия определенного вещества.
Абсолютная энтропия (S) вещества или процесса — это изменение доступной энергии при теплопередаче при данной температуре (Btu/R, Дж/К). Математически энтропия равняется теплопередаче, деленной на абсолютную температуру, при которой происходит процесс. Следовательно, процессы передачи большого количества теплоты больше увеличивают энтропию. Также изменения энтропии увеличатся при передаче теплоты при низкой температуре. Так как абсолютная энтропия касается пригодности всей энергии вселенной, температуру обычно измеряют в абсолютных единицах (R, К).
Энтропия — что это такое?
И физики, и лирики оперируют понятием «энтропия». В переводе с древнегреческого языка на русский слово «энтропия» связывают с поворотом, превращением.
Представители точных наук (математики и физики) ввели данный термин в научный обиход и распространили его на информатику, химию. Р. Клаузиус, и Л. Больцман, Э. Джейнс и К. Шеннон, К. Юнг и М.Планк определяли и исследовали названное выше явление.
В данной статье обобщаются, систематизируются основные подходы к определению энтропии в различных научных областях.
Энтропия в точных и естественных науках
Начиная с представителя точных наук Р.Клаузиса, термином «энтропия» обозначают меру:
необратимого рассеивания энергии в термодинамике;
вероятности осуществления какого-либо макроскопического процесса в статистической физике;
неопределенности какой-либо системы в математике;
информационной ёмкости системы в информатике.
Данная мера выражается формулами и графиками.
Энтропия, как гуманитарное понятие
К. Юнг ввел знакомое нам понятие в психоанализ, изучая динамику личности. Исследователи в области психологии, а затем и социологии выделяют и определяют энтропию личности или социальную энтропию как степень:
неопределенности состояния личности в психологии;
психической энергии, которую нельзя использовать при вложении её в объект исследования в психоанализе;
количества энергии, недоступной для социальных изменений, социального прогресса в социологии;
динамика энтропии личности.
Понятие энтропии оказалось востребованным, удобным в теориях, как естественнонаучных, так и гуманитарных. В целом энтропия тесно связана с мерой, степенью неопределенности, хаоса, беспорядка в любой системе.
Данная мера выражается формулами и графиками.
Энтропия — это. Понятие энтропии. Стандартная энтропия
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.
Невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела.
