Энтропия системы

Энтропия систем

Энтропия — это термодинамическая функция состояния системы, которая отражает вероятность реализации того или иного состояния системы в процессе теплообмена.

Энтропияэто мера неупорядоченности состояния системы; стремление частиц (молекул, ионов, атомов) к хаотическому движению. По изменению энтропии в ходе реакции можно судить о переходе системы от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному или наоборот.

Энтропия возрастает (∆Ѕ>0) с увеличением движения частиц при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п.

Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация), сопровождаются уменьшением энтропии (∆Ѕ < 0). Измеряется энтропия в Дж/(моль×К).

Изменение энтропии системы в результате протекания химической реакции (∆S) (энтропия реакции) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Изменение энтропии в результате протекания химической реакции

Энтропия также является одним из критериев возможности самопроизвольного протекания процесса: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к росту энтропии .

188.123.231.15 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

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:

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 «горючего9raquo; уходит на «ремонт9raquo;, 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 «выжать9raquo; 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.

Энтропия системы

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-жертва9raquo;, 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.

  • Энтропия системы География

    ЭНТРОПИЯ это:

    часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Точное определение энтропии производится с помощью математических расчетов. Наиболее отчетливо эффект энтропии виден на примере термодинамических процессов. Так, тепло никогда совершенно не переходит в механическую работу, преобразуясь в др. виды энергии. Примечательно, что при обратимых процессах величина энтропии остается неизменной, при необратимых, наоборот, неуклонно возрастает, причем этот прирост происходит за счет уменьшения механической энергии. Следовательно, все то множество необратимых процессов, которые происходят в природе, сопровождается уменьшением механической энергии, что в конечном итоге должно привести к всеобщему параличу, или, говоря иначе, «тепловой смерти». Но такой вывод правомочен лишь в случае постулирования тоталитарности Вселенной как замкнутой эмпирической данности. Христ. теологи, основываясь на энтропии, говорили о конечности мира, используя ее как доказательство существования Бога.

    Философский энциклопедический словарь. 2010.

    (греч. ἐντροπία – поворот, превращение) – функция состояния термодинамич. системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в этой системе и являющаяся мерой их необратимости. Понятие Э. введено в 1865 Р. Клаузиусом для характеристики процессов превращения энергии; в 1877 Л. Больцман дал ему статистич. истолкование. При помощи понятия Э. формулируется второе начало термодинамики: Э. термоизолированной системы всегда только увеличивается, т.е. такая система. предоставленная самой себе, стремится к тепловому равновесию, при к-ром Э. максимальна. В статистич. физике Э. выражает неопределенность микроскопич. состояния системы: чем больше микроскопич. состояний системы соответствуют данному макроскопич. состоянию, тем выше термодинамич. вероятность и Э. последнего. Система с маловероятной структурой, предоставленная самой себе, развивается в сторону наиболее вероятной структуры, т.е. в сторону возрастания Э. Это, однако, относится только к замкнутым системам, поэтому Э. не может быть использована для обоснования тепловой смерти вселенной. В теории и н ф о р м а ц и и Э. рассматривается как мера недостатка информации в системе. В кибернетике при помощи понятий Э. и негэнтропии (отрицат. энтропии) выражают меру организованности системы. Будучи справедливой применительно к системам, подчиняющимся статистич. закономерностям, эта мера, однако, требует большой осторожности при переносе на биологические, языковые и социальные системы.

    Лит.: Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия Э. [пер. с франц .], М. 1&67; Пирс Дж. Символы, сигналы, шумы, [пер. с англ.], М. 1967.

    Л. Фаткин. Москва.

    Философская Энциклопедия. В 5-х т. — М. Советская энциклопедия. Под редакцией Ф. В. Константинова. 1960—1970.

    / Физика — лекции / Молекулярная физика / 9.Энтропия / Энтропия лекция ИСПРАВЛЕННОЕ

    5.ФормулировкаII-гоначала термодинамики.

    Хотя количество тепла является функцией процесса, тем не менее при равновесных процессах его можно выразить через изменение функции состояния, называемой энтропией. Энтропия является мерой неупорядоченности системы многих частиц. Чем выше степень беспорядка в координатах и скоростях частиц системы, тем больше вероятностьpтого. что система будет находиться в состоянии беспорядка.

    Энтропия системы определяется как:

    Энтропия системы

    В соответствии с определением вероятности система будет находиться в состоянии с большей вероятностью чаще, чем в состоянии с меньшей вероятностью. Стремление к состоянию с большей вероятностью:

    Энтропия системы

    Чтобы вычислить изменение энтропии, достаточно знать отношение вероятностей.

    Для одной частицы: Энтропия системы

    Энтропия системы

    при изотермическом расширении идеального газа.

    Численно совпадает с формулой ΔQизотермического расширения идеального газа.

    Энтропия системы

    Энтропия – отношение количества теплоты, сообщенного системе Энтропия системык температуре системыТ.dS– полный дифференциал. Если обозначить:S1– первое состояние ,S2– второе состояние, то

    Энтропия системы

    Энтропия системы— это не то, что в реальном процессе, а то, что было бы если процесс был обратим.

    2.Закон возрастания энтропии.

    Энтропия изолированной системы может только возрастать, по достижении максимального значения остается постоянной (не убывает). Это закон определяющий направление всех тепловых процессов в замкнутой системе. Максимально возможное значение энтропия замкнутой системы приобретает в состоянии теплового равновесия. В замкнутой системе процессы необратимы. Прокомментируем это:

    Имеется два тела. Их температура одинакова.

    Энтропия системы Энтропия системы

    Если первое тело теряет Энтропия системы, то второе приобретает Энтропия системы.

    Энтропия системы

    Если температура тел различна и так, что Энтропия системы, мо рассматривая изменения состояния обоих тел, как если бы они происходили квазистатически:

    Энтропия системы

    Энтропия системы

    Убыль энтропии при переходе остывающего тела к упорядоченному состоянию

    перекрывается увеличением энтропии тела 2. так что в целом энтропия возрастает. Следовательно, процесс теплообмена идет сам по себе в таком направлении, при котором степень беспорядка молекулярного движения возрастает, т.е. энтропия возрастает. Обратный процесс передачи тепла от более холодного тела к горячему был бы связан с уменьшением беспорядка молекулярного движения и энтропии, а поэтому самопроизвольно протекать не может. Например, почему бы не использовать тепловую энергию океана. Даже при η = 1% можно было бы получить

    1024Дж – огромная энергия. Солнечная радиация восстановила бы тепло океана. Однако осуществляя этот процесс мы потеряем больше чем приобретём. Локально энтропия может убывать. Например, энтропия морозильной камеры убывает. Но в целом, с учётом всех частей системы (окружающий воздух), Энтропия системы. Деятельность человека на Земле приводит к локальному снижению Энтропия системы. Жизнь как биологическое явление характеризуется процессами уменьшающими локально энтропию. Однако, рассматривая всю систему в целом, Солнце способствует возрастанию суммарной энтропии. Так Клаузиус в 1867 году, применяя этот факт ко всей вселенной, пришел к выводу о «тепловой смерти вселенной». Но нельзя забывать, что Энтропия системыдля абсолютно замкнутой системы. А всё в нашем мире взаимосвязано. Эйнштейн, взявшись за Общую Теорию Относительности, пытаясь объединить все виды взаимодействий и полей в природе, исходил из замкнутости нашей вселенной и пришел к неверным результатам, и он соглашается с тем, что нельзя вселенную рассматривать как замкнутую систему. Фридман, тогда ещё очень молодой учёный высказывал мысль о расширении вселенной. В наше время экспериментально доказано красное смещение в спектре далеких галактик.

    3.Статистический вес (термодинамическая вероятность). Определение энтропии через статистический вес (для неравновесной системы).

    Если система находится в равновесии, то параметры её постоянны, её макросостояние не изменяется, вместе с тем частицы, образующие систему всё время перемещаются. Макросостояние меняется. Всякое макросостояние можно представить через множество возможных микросостояний. Число возможных микросостояний, посредством которого осуществляется данное макросостояние, есть статистический вес или термодинамическая вероятность. Это огромное число. Так, для моля кислорода при атмосферном давлении и комнатной температуре Энтропия системы. Представить это невозможно. Все микросостояния равновероятны. Вероятность макросостояния

    Энтропия системы

    т.е. энтропия это функция состояния термодинамической системы, только для обратимых процессов. Для моля кислорода Энтропия системы.

    Энтропия системы

    4. Обращение времен.

    Энтропия системыЕсли обратить время, то полная энтропия замкнутой системы стала бы убывать, тепло потекло бы от холодного тела к горячему.

    первом равно числу Авогадро делённому на количество кубических сантиметров в 22,4 л. т.е. 2,7 * 1019. Второй сосуд пуст. Убрали перегородку. Примерно Энтропия системычастиц перейдёт во второй сосуд. Сколько бы мы не ждали, обратного процесса не будет. Будут лишь незначительные флуктуации. 70% времени и частиц в каждом объёме от Энтропия системы, гдеN– среднее число частиц. Энтропия системы, флуктуации настолько малы.

    Предположим, что время пошло вспять. При этом второй сосуд опустеет и в нём — вакуум. При наблюдении обратного хода, заснятого на плёнке мы не обнаружили ничего неестественного, ни один физический закон не будет нарушен. Но существует бесчисленное множество других конфигураций, когда во втором сосуде и в первом число частиц почти одинаково. Поэтому на практике такой случай допустим, но его вероятность стремится к нулю. Дальнейший обратный ход привёл бы к постепенному заполнению второго сосуда, энтропия возрастает.

    Все действительно фундаментальные законы симметричны относительно обращения времени.

    Подобная симметрия означает, что при обращении направления движения всех частиц справедливы те же уравнения или законы. Это фундаментальный принцип симметрии.

    Итак, первый закон термодинамики – закон сохранения энергии исключает возможность вечного двигателя первого рода, который бы совершил работу из ничего, без источника.

    Второй закон термодинамики исключает возможность построения вечного двигателя второго рода – за счёт тел, находящихся в тепловом равновесии и за счёт непосредственной передачи теплоты от менее нагретого к более нагретому телу или прямого преобразования теплоты в работу.

    5. ФормулировкаII-гоначала термодинамики.

    Современная формулировкаIIН Т закона возрастания энтропии гласит (формулировка Клаузиуса, который впервые ввёл понятие энтропии): В каждой изолированной макроскопической системе (за исключением Вселенной) изменение энтропии Энтропия системыпри любом реальном процессе удовлетворяет: Энтропия системы, при этом для обратимого (равновесного) процесса: Энтропия системы, для необратимых процессов: Энтропия системыНеобратимые процессы приводят к установлению равновесного состояния.

    В этом состоянии энтропия изолированной системы достигает максимума.

    К Вселенной закон возрастания энтропии неприменим: на очень больших расстояниях Энтропия системым существенную роль играют силы гравитации. Они определяют свойства пространства и времени. Эти условия отнюдь не стационарны. Они изменяются. Вселенная подобна любому телу, которое подвергается внешним воздействиям, её нельзя считать изолированной. И действительно не наблюдается никаких признаков «тепловой смерти».

    Закон возрастания энтропии имеет два следствия:

    Невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходит от менее нагретых тел к более нагретым (Клаузиус).

    (Д.Томпсон, Планк) Принцип запрета вечного двигателя второго рода: невозможно получить работу за счёт систематического охлаждения одного тела без каких-либо изменений во всех других телах. Никакая тепловая машина не имеет Энтропия системы

    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.

    Энтропия системы

    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.

    Энтропия системы

    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. Энтропия системы

    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

    Энтропия системы

    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 «энтропия9raquo; 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. Энтропия системы

    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. Энтропия системы

    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 «ъ9raquo;? А возможность наткнуться на литеру «о9raquo;? 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

    Энтропия системы

    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.

    Энтропия системы

    7 частей тела, которые не следует трогать руками Думайте о своем теле, как о храме: вы можете его использовать, но есть некоторые священные места, которые нельзя трогать руками. Исследования показыва.

    Энтропия системы

    Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.

    Энтропия системы

    11 странных признаков, указывающих, что вы хороши в постели Вам тоже хочется верить в то, что вы доставляете своему романтическому партнеру удовольствие в постели? По крайней мере, вы не хотите краснеть и извин.

    Энтропия системы

    5 привычек, которые гарантируют, что вы не достигните успеха в жизни Наши ежедневные привычки делают из нас тех, кем мы являемся. Какие-то из них способны привести нас к успеху, а другие, напротив, гарантируют неизбежны.

    Энтропия системы

    7 вещей, которые следует мыть и стирать каждый день Это может показаться еще одним пунктом в бесконечном списке ежедневных дел, но за этим кроется эффективный метод, который позволяет создать положитель.

    Энтропия системы

    Время бить тревогу: 11 признаков, что ваш партнер вам изменяет Измена — это самое страшное, что может случиться в отношениях двух людей. Причем, как правило, все происходит не как в фильмах или сериалах, а гораздо.

  • Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *