Pewna koncepcja odgrywa w chemii i fizyce kluczową rolę.
Pomaga wyjaśnić działanie procesów fizycznych.
Dlaczego lód topnieje,
śmietanka miesza się z kawą,
a z przebitej opony wydostaje się powietrze.
To entropia, zjawisko bardzo trudne do zrozumienia.
Entropia jest często opisywana jako miara nieuporządkowania.
To wygodne określenie jest niestety mylące.
Co jest bardziej nieuporządkowane?
Szklanka pokruszonego lodu czy wody o temperaturze pokojowej?
Większość powie, że szklanka z lodem,
ale tak naprawdę ma ona niższą entropię.
Do opisania entropii można użyć prawdopodobieństwa.
Może być to trudniejsze do zrozumienia, ale porządnie przetwórzcie te informacje,
a zrozumiecie entropię o wiele lepiej.
Wyobraźmy sobie dwie bryły.
Każda składa się z sześciu wiązań atomowych.
W tym modelu energia każdej bryły jest przechowywana w wiązaniach.
Można je sobie wyobrazić jako proste pojemniki
mieszczące niepodzielne jednostki energii, czyli kwanty.
Im więcej energii w bryle, tym jest ona cieplejsza.
Energia może być dystrybuowana na wiele sposobów
w tych dwóch bryłach
i wciąż mieć w każdej taką samą wartość całkowitą.
Każda z tych opcji to stan mikroskopowy.
Dla sześciu kwantów energii w Bryle A i dwóch kwantów w Bryle B
istnieje 9702 stanów mikroskopowych.
Te osiem kwantów można też rozłożyć inaczej.
W Bryle A może być cała energia, a w Bryle B nic
albo po połowie w każdej z nich.
Zakładając, że każdy stan mikroskopowy jest tak samo prawdopodobny,
widać, że niektóre rozkłady energii
mają wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia niż inne.
Wynika to z dużej liczby obecnych stanów mikroskopowych.
Entropia to bezpośredni wskaźnik prawdopodobieństwa rozkładu energii.
Rozkład energii,
w którym energia jest najbardziej rozłożona między bryłami,
ma najwyższy wskaźnik entropii.
Ogólnie rzecz biorąc,
entropia może być pojmowana jako miernik rozłożenia tej energii.
Niski poziom entropii oznacza skupienie energii.
Wysoki poziom entropii oznacza większe rozłożenie energii.
Żeby zrozumieć przydatność entropii w wyjaśnianiu procesów samoistnych,
jak schładzanie się gorących przedmiotów,
trzeba spojrzeć na układ dynamiczny, w którym porusza się energia.
W rzeczywistości energia nie stoi w miejscu.
Ciągle porusza się między sąsiadującymi wiązaniami.
Podczas ruchu energii
jej rozkład może ulec zmianie.
Rozłożenie stanów mikroskopowych sprawia,
że istnieje 21% szans na to, że w późniejszym rozkładzie układu
energia będzie maksymalnie rozłożona,
13% szans, że powróci do punktu wyjścia
i 8%, że energia w Bryle A wzrośnie.
Większa liczba sposobów uzyskania rozproszonej energii
i wysokiej wartości entropii niż energii skupionej
prowadzi do rozkładania się energii.
To dlatego umieszczenie gorącego przedmiotu obok zimnego
sprawia, że zimna rzecz ogrzewa się, a gorąca stygnie.
Nawet w tym przykładzie
jest 8% szans na wzrost temperatury gorącego przedmiotu.
Dlaczego nigdy się tak nie dzieje?
Chodzi o rozmiar układu.
Nasze hipotetyczne bryły miały tylko po sześć wiązań.
Powiększmy liczbę wiązań do 6 tysięcy, a jednostek energii do 8 tysięcy
i stwórzmy układ, w którym trzy czwarte energii jest w Bryle A,
a jedna czwarta w Bryle B.
Bryła A ma znikome szanse
na samoistne pozyskanie większej energii.
Przedmioty codziennego użytku mają o wiele większą liczbę cząsteczek.
Prawdopodobieństwo, że temperatura gorącego przedmiotu wzrośnie,
jest tak niewielkie,
że wzrost praktycznie nigdy nie ma miejsca.
Lód topnieje,
śmietanka miesza się z kawą,
a opony tracą powietrze,
bo stany te mają więcej rozproszonej energii niż stany pierwotne.
Nie istnieje tajemnicza siła powodująca zwiększenie entropii układu.
Większa entropia jest po prostu statystycznie bardziej prawdopodobna.
To dlatego entropię nazywa się strzałką czasu.
Energia rozkłada się, kiedy tylko ma taką możliwość.