Просто о сложном⁠⁠

Энтропия... Как часто можно услышать или прочитать это красивое, умное слово. Но какой смысл оно несет в себе?

В 1865 году немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус ввел следующее понятие энтропии: ее приращение - это отношение приращения тепла, переданного системе, к температуре системы.

В современном же варианте она определяется как логарифм числа состояний, в которых может находиться система. Рассмотрим одну интересную особенность энтропии:

В одном кубическом метре воздуха находится ~10^25 молекул. Допустим, при измерении числа допустимых состояний системы - кубического метра воздуха в сосуде - на лабораторной работе студент после бессонной ночи был невнимателен и ошибся, скажем, в миллион раз. Давайте посчитаем, насколько при этом пострадала точность определения энтропии. Для этого нужно знать школьный курс алгебры и то, что число состояний, в которых может находиться система, растет экспоненциально по отношению к числу частиц в системе (призываю к спокойствию читателей, которые не любят формулы, она будет белой вороной в данном посте).

Как видите, ошибка студента в целый миллион раз никак не повлияла на определенную им энтропию системы. Вот, какое оно огромное, это число.

Пытливый ум читателя задастся вопросом: как студенту может пригодиться определенная им энтропия? Дело в том, что при равновесном состоянии система имеет наибольшее количество допустимых состояний, а значит, и наибольшую энтропию. Энтропия системы, на которую не действуют внешние факторы, всегда либо растет, либо остается постоянной, если она (система) достигла состояния равновесия. Это закон природы, который выполняется всегда, так же, как и всегда тепло передается от более горячего тела к более холодному. Существует вероятность, что тепло уйдет от холодного к горячему, но она настолько ничтожна, что это событие не произойдет никогда за все время существования нашей вселенной.

Энтропия всегда стремится к своему максимальному значению. Так формулируется второй закон термодинамики. Еще мы знаем, что энтропия - это мера беспорядка (при возникновении отголосков порядка в системе число ее допустимых состояний уменьшается, значит, уменьшается и энтропия).

Так что же это получается, по отношению к нашему миру второй закон термодинамики не работает? Как могли образоваться сложнейшие формы жизни, что это, если не признак порядка? Согласно теории эволюции Дарвина, в основе процесса естественного отбора лежит повышение степени организованности биологических систем. Вид все более и более совершенствуется в процессе эволюции. Мы не видим в природе хаотической смеси различных атомов, расположенных вперемешку друг с другом, что соответствовало бы большему беспорядку в системе. Наоборот, мир сильно структурирован. Почему-то растут деревья, в небе плавают облака, летают какие-то бабочки. В море зачем-то плавают рыбы. Как же можно объяснить возникновение структур в открытых системах?

Все объясняется довольно просто. Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из нескольких подсистем. Сумма их энтропий возрастает в четком соответствии со вторым законом термодинамики, но энтропия одной из подсистем при этом может убывать, не нарушая при этом никаких законов физики, а это значит, что в ней может возникать порядок.

Физика - удивительная наука, дающая человеку ответы на вопросы, которые ставились перед ним испокон веков, а ее изучение стоит важнейшей задачей перед человеком, нацеленным на создание порядка в нашем мире.

Ставлю тег "моё", но много информации брал из лекций нашего физика, если понравится, следующий пост будет о чем-то наподобие тепловой смерти вселенной, пока не придумал.