Как определить энтропию

Энтропия — загадочная физическая величина. У нее есть несколько определений, данных разными учеными в разное время. Понятие энтропии появляется во множестве задач физики и родственных ей дисциплин. Поэтому очень важно знать, что такое энтропия и как ее определять.

Инструкция

1. Первым понятие энтропии ввел ученый Рудольф Клаузиус в 1865 году. Он назвал энтропией меру рассеяния тепла при любых термодинамических процессах. Точная формула для этой термодинамической энтропии выглядит так: ΔS = ΔQ/T. Здесь ΔS — приращение энтропии в описываемом процессе, ΔQ — количество тепла, переданное системе или отнятое у нее, T — абсолютная (измеренная в кельвинах) температура системы.Первые два начала термодинамики не позволяют сказать об энтропии больше. Они измеряют только ее приращение, но не абсолютную величину. Третье начало уточняет, что при приближении температуры к абсолютному нулю энтропия тоже стремится к нулю. Таким образом, оно дает начальную точку для измерения энтропии. Впрочем, в большинстве реальных экспериментов ученых интересует именно изменение энтропии в каждом конкретном процессе, а не ее точные значения в начале и конце процесса.
2. Людвиг Больцман и Макс Планк дали другое определение той же самой энтропии. Применив статистический подход, они пришли к выводу, что энтропия — мера приближения системы к максимально вероятному состоянию. Максимально вероятным, в свою очередь, будет именно то состояние, которое реализуется максимальным числом вариантов.В классическом мысленном эксперименте с бильярдным столом, по которому хаотично движутся шары, видно, что наименее вероятным будет то состояние этой «шародинамической системы», когда все шары находятся в одной половине стола. С точностью до расположения шаров оно реализуется одним-единственным способом. Наиболее же вероятно состояние, в котором шары распределены равномерно по всей поверхности стола. Следовательно, в первом состоянии энтропия системы минимальна, а во втором максимальна. Большую часть времени система будет проводить именно в состоянии с максимальной энтропией.Статистическая формула для определения энтропии такова: S = k*ln(Ω), где k — постоянная Больцмана (1,38*10^(-23) Дж/К), а Ω — статистический вес состояния системы.
3. Термодинамика утверждает своим вторым началом, что в любых процессах энтропия системы как минимум не уменьшается. Статистический подход, однако, говорит, что даже самые невероятные состояния все же могут реализоваться, а значит, возможны флюктуации, при которых энтропия системы может и уменьшаться. Второе начало термодинамики по-прежнему справедливо, но лишь если рассматривать всю картину на большом промежутке времени.
4. Рудольф Клаузиус на основании второго начала термодинамики выдвинул гипотезу тепловой смерти вселенной, когда с течением времени все виды энергии перейдут в тепловую, а она равномерно распределится по всему мировому пространству, и жизнь станет невозможна. Впоследствии эта гипотеза была опровергнута: Клаузиус не учел в своих расчетах влияние гравитации, из-за которого нарисованная им картина вовсе не является наиболее вероятным состоянием вселенной.
5. Энтропию иногда называют мерой беспорядка, поскольку наиболее вероятное состояние, как правило, менее структурировано по сравнению с другими. Однако такое понимание не всегда верно. Например, кристалл льда по сравнению с водой более упорядочен, но представляет собой состояние с большей энтропией.