2.5. Энтропия как мера необратимости процессов

Рассеивание энергии является причиной необратимости подавляющего большинства природных процессов, о чём уже говорилось в п.1.1. В качестве конкретного примера можно привести ситуацию, когда молекула, получившая по стечению обстоятельств большую порцию кинетической энергии, через определённое число столкновений передаст эту энергию другим молекулам. Вполне понятно, что этот процесс обмена энергией в обратном порядке произойти не может, так как невозможно, чтобы все молекулы, получившие энергию, вернули её первой молекуле и оказались бы на исходных местах с исходными скоростями.

По этой причине в любой большой материальной системе (системе с большим количеством взаимодействующих элементов) энергия имеет тенденцию к равномерному распределению между частями (элементами) системы. Это проявляется, например, в том, что все тела после неравномерного нагрева через некоторое время становятся равномерно тёплыми. А при контакте тел тепловая энергия всегда передаётся от более тёплого тела к холодному (тепло необратимо рассеивается). Состояние системы с равномерным распределением энергии называется термодинамическим равновесием и является более вероятным, чем состояние с неравномерным распределением энергии. Термодинамическое равновесие также принято считать неупорядоченным, хаотичным состоянием системы.

Для оценки степени необратимости процессов и степени приближения к термодинамическому равновесию в физике используется математическая характеристика, получившая название энтропии (S) и определяемая в соответствии с формулой [13, с.182]:

S = k lnW , (2.2)

где k – постоянная Больцмана, ln – натуральный логарифм, W - термодинамическая вероятность состояния, которая представляет собой число вариантов распределения энергии между частями системы без изменения её основных макроскопических (усреднённых) характеристик (давление, объём, температура). Например, состояние, когда вся энергия тела сосредоточена в одной молекуле, а все остальные молекулы имеют нулевую энергию, может быть реализовано только одним способом, поэтому является маловероятным и имеет W = 1. При равномерном распределении энергии между всеми молекулами количество возможных вариантов распределения является максимальным и W характеризуется практически бесконечно большой величиной (W→ ∞). Не следует путать термодинамическую вероятность с математической вероятностью, минимальное значение которой измеряется нулём (невероятное событие), а максимальное – единицей (обязательно происходящее событие).

Из сказанного следует, что внешнее воздействие может вывести систему из состояния термодинамического равновесия и понизить её энтропию. И наоборот, при отсутствии внешних воздействий (изолированное состояние) постепенно произойдёт возвращение к термодинамическому равновесию с максимальными значениями W и S.

Используя понятие энтропии, второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: В изолированной системе энтропия всегда возрастает или имеет максимальное значение. В таком виде закон получил название закона возрастания энтропии, который отражает существующую в природе тенденцию - стремление материальных систем перейти в более вероятное состояние с максимальной энтропией.

Тенденцию к рассеиванию в материальном мире можно продемонстрировать простейшим опытом, который может провести даже любой школьник. Нужно взять листок бумаги, изрезать его по возможности на очень мелкие кусочки и положить их в виде кучки на какое-либо часто используемое место в квартире (стул, стол и пр.). Далее все члены семьи должны вести себя так, как буд-то не замечают этих бумажек. Если нужно сесть на это место, – садятся, если нужно что-либо положить, – кладут и т.д. Таким поведением будет имитироваться самопроизвольное поведение бумажек в системе, в которой происходят постоянные взаимодействия и превращения энергии. Результат опыта настолько предсказуем, что опыт можно и не проводить. Бумажки через некоторое время окажутся разбросанными по всей квартире. Состояние, когда бумажки могут оказаться снова все вместе, практически невероятно (имеет низкую вероятность W и низкую энтропию S). Состояние с распределением по всей квартире более вероятно (большое значение W и S).

В окружающем мире такая тенденция проявляется в том, что все предметы со временем разрушаются, материя рассеивается. Нет ничего вечного. Всё появляется и всё исчезает. Речь может идти только о времени жизни того или иного объекта (неживого и живого). Для одних это время измеряется миллиардными долями секунды (некоторые элементарные частицы), для других - миллиардами лет (звёзды и галактики).