Entropy:The Invisible Force That Bring Disorder to the Universe

Du kan ikke nemt putte tandpastaen tilbage i tuben. Du kan ikke forvente, at dampmolekyler spontant migrerer sammen igen og danner en vandkugle. Hvis du slipper en flok corgi-hvalpe ud på en mark, er det meget usandsynligt, at du vil være i stand til at få dem alle sammen igen i en kasse uden at gøre et væld af arbejde. Disse er problemerne forbundet med den anden termodynamiske lov, også kendt som entropiens lov.

1. Termodynamikkens anden lov
2. Definitionen af ​​lidelse
3. Entropi er forvirrende

Termodynamikkens anden lov

Termodynamik er vigtig for forskellige videnskabelige discipliner, fra teknik til naturvidenskab til kemi, fysik og endda økonomi. Et termodynamisk system er et indelukket rum, som ikke lukker energi ind eller ud af det.

Termodynamikkens første lov har at gøre med bevarelse af energi - du husker sikkert at have hørt før, at energien i et lukket system forbliver konstant ("energi kan hverken skabes eller ødelægges"), medmindre der bliver pillet ved den udefra. Men energien ændrer konstant form - en brand kan omdanne kemisk energi fra en plante til termisk og elektromagnetisk energi. Et batteri omdanner kemisk energi til elektrisk energi. Verden vender, og energien bliver mindre organiseret.

"Termodynamikkens anden lov kaldes entropiloven," fortalte Marko Popovic, en postdoktor i biotermodynamik ved School of Life Sciences ved det tekniske universitet i München, os i en e-mail. "Det er en af ​​de vigtigste love i naturen."

Entropi er et mål for lidelsen i et lukket system. Ifølge den anden lov stiger entropi i et system næsten altid over tid - du kan arbejde for at skabe orden i et system, men selv det arbejde, der lægges i omorganisering, øger uorden som et biprodukt - normalt i form af varme. Fordi målet for entropi er baseret på sandsynligheder, er det selvfølgelig muligt at entropien af ​​og til falder i et system, men det er statistisk meget usandsynligt.

Definitionen af ​​lidelse

Det er sværere end du skulle tro at finde et system, der ikke lukker energi ud eller ind - vores univers er lige så godt et eksempel på et, som vi har - men entropi beskriver, hvordan uorden opstår i et system så stort som universet eller som lille som en termokande fuld af kaffe.

Entropi har dog ikke at gøre med den type lidelse, du tænker på, når du låser en flok chimpanser inde i et køkken. Det har mere at gøre med hvor mange mulige permutationer rod kan laves i køkkenet i stedet for hvor stort et rod er muligt. Entropien afhænger selvfølgelig af en masse faktorer:hvor mange chimpanser der er, hvor mange ting der bliver opbevaret i køkkenet og hvor stort køkkenet er. Så hvis du skulle se på to køkkener - det ene meget stort og fyldt til gællerne, men omhyggeligt rent, og et andet, der er mindre med færre ting i det, men allerede temmelig smadret af chimpanser - er det fristende at sige, at det mere rodede rum har mere entropi, men det er ikke nødvendigvis tilfældet. Entropi bekymrer sig mere om hvor mange forskellige tilstande der er mulige end hvor uordnet det er i øjeblikket; et system har derfor mere entropi, hvis der er flere molekyler og atomer i det, og hvis det er større. Og hvis der er flere chimpanser.

Entropi er forvirrende

Entropi kan være det sandeste videnskabelige koncept, som de færreste mennesker rent faktisk forstår. Begrebet entropi kan være meget forvirrende - dels fordi der faktisk er forskellige typer. Den ungarske matematiker John von Neumann beklagede situationen således:"Den, der bruger udtrykket 'entropi' i en diskussion, vinder altid, eftersom ingen ved, hvad entropi egentlig er, så i en debat har man altid fordelen."

"Det er lidt svært at definere entropi," siger Popovic. "Måske er det bedst at definere som en ikke-negativ termodynamisk egenskab, som repræsenterer en del af energien i et system, som ikke kan omdannes til nyttigt arbejde. Enhver tilsætning af energi til et system indebærer således, at en del af energien vil blive transformeret ind i entropi, hvilket øger uorden i systemet. Således er entropi et mål for uorden i et system."

Men du skal ikke have det dårligt, hvis du er forvirret:definitionen kan variere afhængigt af hvilken disciplin, der udøver den i øjeblikket:

I midten af ​​det 19. århundrede arbejdede en tysk fysiker ved navn Rudolph Clausius, en af ​​grundlæggerne af begrebet termodynamik, på et problem vedrørende effektivitet i dampmaskiner og opfandt begrebet entropi for at hjælpe med at måle ubrugelig energi, der ikke kan omdannes til nyttigt arbejde. Et par årtier senere brugte Ludwig Boltzmann (entropiens anden "grundlægger") konceptet til at forklare opførselen af ​​et enormt antal atomer:selvom det er umuligt at beskrive adfærden for hver partikel i et glas vand, er det stadig muligt at forudsige. deres kollektive adfærd, når de opvarmes ved hjælp af en formel for entropi.

"I 1960'erne tolkede den amerikanske fysiker E.T. Jaynes entropi som information, som vi savner for at specificere bevægelsen af ​​alle partikler i et system," siger Popovic. "For eksempel består et mol gas af 6 x 10 ²³ partikler. For os er det således umuligt at beskrive hver partikels bevægelse, så i stedet gør vi det næstbedste ved at definere gassen ikke gennem hver partikels bevægelse, men gennem egenskaberne af alle partiklerne tilsammen:temperatur, tryk , samlet energi. Den information, vi mister, når vi gør dette, kaldes entropi."

Og det skræmmende koncept om "universets varmedød" ville ikke være muligt uden entropi. Fordi vores univers højst sandsynligt startede som en singularitet - et uendeligt lille, ordnet energipunkt - der ballonerede ud og fortsætter med at udvide sig hele tiden, vokser entropien konstant i vores univers, fordi der er mere plads og derfor flere potentielle uordenstilstande for atomerne her for at adoptere. Forskere har antaget, at længe efter du og jeg er væk, vil universet i sidste ende nå et punkt med maksimal uorden, på hvilket tidspunkt alt vil være den samme temperatur uden ordenslommer (som stjerner og chimpanser) at finde.

Og hvis det sker, har vi entropi at takke for det.

Det 20. århundredes videnskabsmand Sir Arthur Eddington mente, at begrebet entropi var så vigtigt for videnskaben, at han skrev i The Nature of the Physical World i 1928:"Loven om, at entropi altid stiger, har, tror jeg, den øverste position blandt naturlovene. ... Hvis din teori viser sig at være imod termodynamikkens anden lov, kan jeg ikke give dig noget håb; der er intet til, at den kan bryde sammen i dybeste ydmygelse."