Czym jest entropia? - Jeff Phillips

Zobacz całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/what-is-entropy-jeff-phillips

Istnieje koncepcja mająca kluczowe znaczenie dla chemii i fizyki. Pomaga wyjaśnić działanie procesów fizycznych: dlaczego topnieje lód, śmietanka miesza się
z kawą, a powietrze wydostaje się z przebitej opony. To entropia, zjawisko bardzo trudne do zrozumienia. Jeff Phillips krótko je wyjaśnia.

Lekcja: Jeff Phillips, animacja: Provincia Studio.

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.