Что такое энтропия? — Джефф Филлипс

Посмотреть урок полностью: http://ed.ted.com/lessons/what-is-entropy-jeff-phillips

Это понятие имеет первостепенное значение в химии и физике. Оно помогает объяснить, почему физические процессы происходят именно так, а не иначе: почему тает лёд, почему сливки растворяются в горячем кофе, почему воздух выходит из пробитой шины. Это — энтропия, и в ней бывает сразу непросто разобраться. Джефф Филлипс предлагает ускоренный курс по этому явлению.

Урок — Джефф Филлипс, мультипликация — Provincia Studio.

Существует понятие, которое имеет
первостепенную важность в химии и физике.

Оно помогает объяснить, почему физические
процессы протекают так, а не иначе:

почему лёд тает,

почему взбитые сливки
растворяются в горячем кофе,

почему воздух выходит из пробитой шины.

Это — энтропия, и разобраться в ней
бывает очень сложно.

Энтропию часто описывают
как меру неопределённости.

Это удобное определение,
но оно, к сожалению, обманчиво.

Например, что более неупорядочено:

чашка колотого льда
или стакан воды комнатной температуры?

Большинство людей ответит, что лёд,

но его энтропия ниже.

Поэтому энтропию стоит рассматривать
с точки зрения вероятности.

Возможно, это будет сложнее понять,
но вдумайтесь в него какое-то время,

и вы лучше осмыслите понятие энтропии.

Рассмотрим два малых твёрдых тела,

каждое из которых состоит
из шести атомных связей.

В нашем примере энергия в каждом
твёрдом теле содержится в этих связях.

Их можно представить себе
простыми контейнерами,

которые могут содержать неделимые
единицы энергии, известные как кванты.

Чем больше энергии в твёрдом теле,
тем выше его температура.

Оказывается, существует немало
вариантов распределения энергии

в двух твёрдых телах,

но при этом та же общая энергия
будет сохраняться в каждом из них.

Каждая из этих возможностей
называется микросостоянием.

Для шести квантов энергии
в теле А и двух в теле В

существует 9 702 микросостояний.

Безусловно, существуют другие варианты
распределения наших 8 квантов энергии.

Например, вся энергия может храниться
в теле А и её вообще не будет в теле В,

или половина — в А и половина — в В.

Если предположить, что каждое
микросостояние равновероятно,

то мы увидим, что некоторые
конфигурации энергии

более вероятны, чем другие.

Это происходит из-за большего
у них числа микросостояний.

Энтропия — это степень вероятности
каждой из конфигураций энергии.

Мы видим, что конфигурация энергии,

когда та наиболее рассеяна
между двумя твёрдыми веществами,

имеет наивысшую энтропию.

Поэтому в общем смысле

энтропией можно называть
меру рассеивания энергии.

Низкая энтропия означает,
что энергия сконцентрирована.

Высокая энтропия — что она рассеяна.

Чтобы понять, почему энтропия полезна
при объяснении естественных процессов,

как то остывание горячих объектов,

мы должны рассмотреть динамическую
систему, в которой перемещается энергия.

В реальности энергия
не лежит «мёртвым грузом».

Она постоянно движется
между соседними связями.

Когда энергия движется,

конфигурация энергии может изменяться.

Вследствие распределения микросостояний

существует вероятность, равная 21%,
что система окажется в конфигурации,

при которой энергия максимально рассеяна,

13% того, что она вернётся
в своё изначальное состояние,

и всего 8%, что тело А приобретёт энергию.

Мы снова видим, что поскольку
вариантов с рассеянной энергией

и высокой энтропией больше,
чем с сосредоточенной энергией,

она имеет тенденцию рассеиваться.

Поэтому, если вы поставите рядом
горячий и холодный предметы,

холодный нагреется, а горячий охладится.

Но даже в этом примере

существует вероятность, равная 8%,
что горячий объект станет ещё горячее.

Почему же этого никогда
не происходит в реальной жизни?

Всё зависит от размеров системы.

У наших гипотетических веществ
было всего по шесть связей.

Давайте увеличим их число
до 6 000 связей и 8 000 единиц энергии,

у системы вначале будет
три четверти энергии в теле А

и одна четверть в теле В.

Теперь вероятность того, что А
спонтанно приобретёт больше энергии,

вот настолько мала.

У знакомых нам повседневных предметов
во много, много раз больше частиц.

Шанс того, что горячий объект
в реальном мире станет горячее,

настолько ничтожен,

что этого никогда не происходит.

Лёд тает,

сливки растовряются,

шины сдуваются,

потому что эти состояния обладают более
распределённой энергией, чем изначальные.

Не существует волшебной силы,

«толкающей» систему
к более высокой энтропии.

Просто более высокая энтропия
статистически более вероятна.

Поэтому энтропию называют стрелой времени.

Если у энергии есть шанс рассеяться,
то это обязательно произойдёт.