Энтропия

Термин энтропия введен в научный язык Клаузиусом в 1865 году. Уже через семь лет Больцман придал этому понятию строгий физический смысл, а для количественной оценки ввел H-функцию в термодинамике. После работ Больцмана, Гиббса, Максвелла, Планка энтропийный принцип окончательно утвердился в науке. Энтропия оказалась связанной с атомной структурой молекул, с квантовыми законами устойчивости атомов, молекул и кристаллов.

Принципы термодинамики были сформулированы в середине XIX в., после изобретения паровой машины, когда взаимодействие тепловой, электрической и механической работы привлекло к себе значительный интерес. Согласно одной из версий первого начала термодинамики, представляющего собой принцип сохранения энергии, в любой закрытой системе энергия не исчезает и не возникает, а переходит из одной формы в другую. Второе начало термодинамики (принцип энтропии) описывает тенденцию систем переходить из состояния большего к состоянию меньшего порядка. Энтропия – это мера беспорядочности, или разупорядоченности, системы. Чем больше разупорядоченность, тем выше энтропия⁴⁴.

Примером обратимого равновесия может служить таяние кусочка льда при температуре, которая лишь слегка превышает температуру замерзания воды. Энтропия этого кусочка льда повышается по мере того, как кристаллы льда на его поверхности тают, превращаясь в воду. Одновременно энтропия пленки воды на поверхности льда понижается, поскольку тепло из нее забирается на таяние льда. Этот процесс можно сделать обратимым, понизив температуру системы до точки замерзания воды: вода на поверхности кристаллизуется, и энтропия льда понижается, а энтропия пленки воды повышается. В каждом процессе (таяния и замерзания) при температуре замерзания воды или близкой к ней общая энтропия системы остается неизменной.

Примером необратимой неравновесной системы может служить таяние кубика льда в стакане с водой при комнатной температуре. Энтропия кубика льда повышается до тех пор, пока не растают все кристаллы. По мере того как тепло поглощается сначала из всего объема воды в стакане, а затем из окружающего воздуха, энтропия всей системы возрастает.

Бельгийский химик Илья Пригожин изучал в термодинамике неравновесные специфически открытые системы, в которых либо материя, либо энергия, либо и то и другое обмениваются с внешней средой в реакциях. При этом количество материи и энергии либо количество материи или количество энергии со временем увеличивается или уменьшается. Чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, И. Пригожин сформулировал теорию диссипативных структур. Считая, что неравновесность может служить источником организации и порядка, он представил диссипативные структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать. Скоро стало очевидно, что человеческое общество так же, как и биологическая среда, являет собой пример диссипативных и недиссипативных структур. В 1952 г. английский математик Алан М. Тьюринг первым предположил, что термодинамические нестабильности типа тех, какие были выдвинуты И. Пригожиным и его коллегами, характерны для самоорганизующихся систем. В 60-е и 70-е гг. Пригожин развил созданную им теорию диссипативных структур и описал образование и развитие эмбрионов. Критические точки раздвоения в его математической модели соотносятся с точкой, в которой биологическая система в хаосе становится последовательной и стабилизированной. Пригожин предположил, что его теории и математические модели систем, которые зависят от времени, могут быть применимы к эволюционным и социальным схемам, характеристикам автогужевого транспорта и политике в отношении использования природных ресурсов, а также к таким областям, как рост населения, метеорология и астрономия.

Вопрос корректности применения энтропийного принципа к живой материи и, в целом, к существующему миропорядку является дискуссионным с начала ХХ в. Сейчас можно считать общепринятым мнение, согласно которому понятия энтропии и информации в целом интерпретируются как взаимосвязанные и обратные в отношении упорядоченности системы: энтропия – мера беспорядка, хаотичности подсистем (микропроцессов) в общем равновесии системы (макропроцессов) и в узком (термодинамика, статистическая физика), и в широком значении (философия, биология, теория систем); информация - мера неопределенности, которая устраняется сообщением (К. Шеннон)⁴⁵ или мера организованности материи (Л. Сциллард, Н. Винер).

Определения энтропии в термодинамике и теории информации являются достаточно четкими и строгими. Эти универсальные понятия по аналогии могут быть использованы для анализа и описания оптимальных соотношений характеристик и связей сложных систем.

Однако по мере расширения области их приложения эта строгость во многом теряется. Необходимо помнить, что наука заканчивается там, где значения слов теряют четкую разграниченность определений, исключающих двусмысленность понятий.

КРАТКАЯ СПРАВКА 2