Що е то ентропия и как да се борим с нея?

Вземете едно подредено кубче на Рубик и започнете произволно да го въртите. След няколко завъртания то ще бъде напълно разбъркано.

Сега продължавайте по случаен начин да въртите, докато не се подреди обратно.

Доста бързо ще разберете, че няма да се получи, но не се разстройвайте: не сте подредили кубчето на Рубик, но сте илюстрирали втория принцип на термодинамиката:

Ентропията в затворена система не може да намалее.

Героинята от филма на Уди Алън „Каквото дойде“ дава такова определение на ентропията: поради това е трудно да набуташ обратно зъбната паста в тубичката. Тя също така обяснява интересно принципа на неопределеността на Хайзенберг, което е още един повод да гледаме филма.

Ентропията е мярка за безредието. Поканили сте приятели на Нова година, прибрали сте се, измили сте пода, подредили сте храната на масата, поставили сте напитки. С една дума, подредили сте всичко и сте отстранили толкова хаос, колкото сте могли. Това е система с малка ентропия.

Всички знаете какво се случва с къщата на следващия ден: пълен хаос. Затова на сутринта имате на разпореждане система с голяма ентропия.

За да приведете дома си в ред, ще ви се наложи да изразходвате доста енергия. Ентропията на системата е намаляла, но няма никакво противоречие с термодинамиката – вие сте добавили енергия отвън и тази система вече не е затворена.

Неравната битка

Един от вариантите за край на света е топлинна „смърт“ на Вселената вследствие на втория закон на термодинамиката. Ентропията на Вселената достига своя максимум и нищо в нея повече няма да се случва.

Общо взето, това звучи доста тъжно: в природата всички подредени неща се стремят към разрушаване, към хаос. Но откъде тогава се е взел животът на Земята? Всички живи организми са невероятно сложни и подредени и по някакъв начин цял живот се борят с ентропията (макар в края на краищата тя винаги да побеждава).

Всичко е много просто. Живите организми в процеса на жизнената си дейност преразпределят ентропията около себе си, тоест отдават своята ентропия навсякъде, където могат. Например, когато ядем хамбургер, то превръщаме красивото подредено хлебче с масло в известно какво. Получава се, че сме отдали своята ентропия на хамбургера, а в общата система ентропията не е намаляла.

А ако вземем Земята като цяло, то тя изобщо не се явява затворена система – Слънцето ни снабдява с енергия за борба с ентропията.

За описание на степента на безпорядък се използва особена термодинамична функция, наречена ентропия и обозначавана с буквата S. Това понятие от гръцкото εν (en – вътре) + τρέπω (trepo – преследвам, бягам, въртя), е въведено от немския физик Рудолф Клаузиус през 1865 година.

„Думата „ентропия“ – казвал той – умишлено съм подбрал близо до думата „енергия“, тъй като двете съответстващи на тeзи изрази величини са толкова близки по своя смисъл, че според мен изискват еднородно обозначение.“

Защо природата се държи по такъв начин, че необратимостта на всички процеси е свързана именно с разсейването на енергия?

За да отговорим на този въпрос, е необходимо да се пренесем в света на атомите и молекулите. Дори в състояние на термодинамично равновесие частиците за миг не спират своето хаотично движение. Тяхната скорост и положение в пространството постоянно се променят.

С други думи, на едно макроскопично състояние съответства голямо множество микроскопични състояния – различни варианти на положенията на всички частици в пространството и техните скорости. Броят на микросъстоянията се нарича термодинамична вероятност W и характеризира безпорядъка, хаотичността на системата.

Молекулярната природа на ентропията е разкрита от австрийския физик Лудвиг Болцман (1844–1906). Той е описал връзката на ентропията с молекулния хаос с формулата S=klnW, където k е константа, наречена константа на Болцман, която е свързана с газовата константа в съотношение k=R/N_A (N_A е числото на Авогадро) и е равна на 1,38•10^-23 J/K.

Ентропията се изменя скокообразно при фазови преходи на веществото. Тя се повишава при топене, тъй като се разрушава подредената кристална решетка, и особено при изпарение, тъй като рязко нараства обемът, достъпен за хаотичното движение на молекулите.

Процесите кондензация и кристализация на веществото, обратно – водят към намаляване на ентропията. Тя намалява, макар и не толкова рязко, при охлаждане на газовете, течностите и твърдите тела. В идеално правилен кристал, при температурата на абсолютната нула (-273,15 °С), ентропията е равна на нула. Това твърдение е същността на третия закон на термодинамиката. Той позволява експериментално да се определи (а също да се изчисли теоретично) абсолютната стойност на ентропията на различните вещества.

Понякога ентропията се нарича „стрела на времето“. Смисълът на това название е такъв. Ентропията определя посоката на самопроизволните процеси. Но такива процеси не протичат самопроизволно в обратна посока – те са необратими във времето.

Ако някой обратим механичен процес, например движението на махалото или сблъсъка на билярдните топки, бъде заснет на видео, а след това бъде пуснат обратно, изображението ще изглежда напълно правдоподобно.

В същото време необратимите процеси, съпровождащи увеличението на ентропията, да речем изгарянето на бенгалския огън, ръждясването на пирона, при подобно гледане ще изглеждат съвсем невероятно. Така ентропията позволява да се отличава миналото от бъдещето.

Уред, който да показва величината на ентропията, не съществува. В същото време ентропията или нейното изменение могат да се изчислят. Изменението на ентропията ΔS на термодинамична система при обратими процеси е отношението на изменението на общото количество топлина ΔQ към абсолютната температура Т (DS=DQ/T). Единицата за измерване на ентропията е J/K, специфичната ентропия – J/kg.K.