4.9. Что такое энтропия? Каков физический смысл второго закона термодинамики?
Второй закон термодинамики вводит новую, принципиально важную величину – энтропию (S). Данное понятие обозначает меру беспорядка в системе, или меру «обесцененной» энергии. Его в 1865 г. ввёл немецкий физик Р. Клаузиус, основоположник классической термодинамики.
Математически энтропия представляется величиной, большей или равной отношению некоторой приведенной теплоты к абсолютной температуре:
S ≥ δQ / Т
Энтропия имеет ту же размерность, что и универсальная газовая постоянная (Приложение 3).
Термодинамика описывает состояния, обусловленные хаотичным тепловым движением частиц, т.е. она является статистической теорией (см. п. 2.5). Наряду с термодинамическим определением энтропии используется и её статистическая (вероятностная) интерпретация:
S = k · ln P,
где P – число элементарных микроскопических состояний системы, k – постоянная Больцмана (см. Приложение 3). Другими словами, чем больше число возможных состояний системы, тем выше её энтропия.
Простейшая модель, иллюстрирующая понятие термодинамического состояния – игральный кубик. Он имеет 6 граней – соответственно, его подбрасывание может дать один из шести результатов (1, 2, 3, 4, 5, 6). Т.е., число возможных состояний равно шести.
Внутренний смысл энтропии раскрывается в формулировках второго закона термодинамики. Их существует несколько, например:
Невозможно осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.
Невозможна передача энергии от более холодного тела к более горячему.
Термодинамические процессы необратимы, а предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются.
Энтропия незамкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия.
Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле температуры (–273,15°С) также устремляется к нулю.
Абсолютного нуля температуры достичь невозможно.
Нетрудно увидеть, что, например, формулировка №6 напрямую вытекает из формулировки №2.
Являясь мерой хаотического движения частиц, энтропия вещества растёт с увеличением температуры (Рис. 5). Она СКАЧКООБРАЗНО ВОЗРАСТАЕТ при переходе от твёрдого агрегатного состояния вещества к жидкому и от жидкого к газообразному. На графике это прослеживается в виде вертикальных участков, которые соответствуют температурам плавления и кипения.
Рис. 5. Изменение энтропии вещества (S) при повышении температуры
Понятие энтропии как меры хаоса или неопределённости находит применение не только в физике. Например, в информатике энтропия – это мера неопределённости (недостаточности) знаний об объекте.
4.10. Что такое негэнтропия?
В простом понимании НЕГЭНТРОПИЯ (как антоним энтропии – п. 4.9) – ДВИЖЕНИЕ К УПОРЯДОЧИВАНИЮ, к организации системы. Негэнтропия рассматривается только во взаимосвязи с энтропией.
В 1943 г. Э. Шредингер предложил понятие «отрицательной энтропии» в попытке развить идеи Н. Бора о глубокой связи физических и философских законов. Впоследствие термин «отрицательная энтропия» был заменён на термин «негэнтропия».
Согласно идее Шредингера, живая система экспортирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию на низком уровне. При помощи термина «негэнтропия» эта идея видоизменилась: живая система импортирует негэнтропию для самосохранения. Живыми называются такие системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою высокую степень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности. Это – процессы с отрицательной энтропией (негэнтропийные процессы); они протекают с формальным нарушением второго закона термодинамики.
Различают информационный и физический (энергетический) подход к пониманию негэнтропии. Препятствием для универсализации термина «негэнтропия» являлась неопределимость (первичность) понятия «энергия» (п. 1.6). В связи с этим информационная и энергетическая негэнтропия оказываются разнородными понятиями, зависимыми от контекстов, в которых они используются.