Що е ентропия

В средата на 19-ти век немският учен Клаузиус формулира втория принцип на термодинамиката (първият е за съхранението на енергията), който опростено звучи така: Топлината винаги се предава от по-горещото тяло към по-студеното и никога обратно.

Като мярка за необратимото разсейване на енергията Клаузиус въвел термина ентропия (от гр. "ен" – в, вътре и "тропе" – превръщане).

Ентропията е функция на състоянието на системата (повече за системите тук), тоест на всяко състояние може да се съпостави напълно определено значение на ентропията.

За обратими (равновесни) процеси например изменението й се изразява така:

S =Q_min /T , където

Q_min е минималната топлина, поддържаща системата в обратим изотермичен процес, а

Т е абсолютната температура на процеса.

Изменението на ентропията при различните процеси в системите е:

• в самопроизволни процеси S> Q_min /T
• в равновесни процеси S = Q_min /T
• в несамопроизволни процеси S < Q_min /T

За изолираните системи, в които dQ = 0:

• в самопроизволни процеси S> 0
• в равновесни процеси S = 0
• в несамопроизволни процеси S < 0

Ентропията е мярка за случайността или безпорядъка в една физична система. Тя изразява броя на възможните конфигурации или подреждания на съставните елементи на системата, при които нейният общ изглед, т.е. форма и физични характеристики, не се променя.

Втория принцип на термодинамиката може да се формулира и така: При самопроизволни процеси в системи, имащи постоянна енергия, ентропията винаги нараства. Изводът е: каквото и да правим – ентропията ще се увеличава, с всяко свое действие само ще увеличаваме хаоса, и, следователно, ще приближаваме "края на света".

Краят на света

Физическият смисъл на нарастването на ентропията се свежда до това, че състоящата се от множество частици изолирана (с постоянна енергия) система се стреми да мине в състояние с най-малка подреденост на движението на частиците. Това е и най-простото състояние на системата или термодинамично равновесие, при което движението на частиците е хаотично. Необратимата посока на процесите на преобразуване на енергията в изолираните системи рано или късно води до превръщането на всички видове енергия в топлинна. Тя ще се разсее и равномерно ще се разпредели между всички елементи на системата. Максималната ентропия означава пълно термодинамично равновесие, престават всякакви непроизволни премествания на атоми и молекули, прекратява енергообмен както между отделните части на системата, така и с окръжаващата среда – настъпва статистически или термодинамичен хаос.

Ако Вселената е затворена, то я чака топлинна смърт. Древните гърци твърдят, че тя е възникнала от хаоса, а по предположенията на класическата термодинамика, тя ще се завърне отново там. Общият извод е печален. Възниква обаче един въпрос:

Ако Вселената еволюира само към хаос, то как е могла да възникне и стигне до сегашното структурирано състояние?

Класическата термодинамика се формирала в епоха, в която никой не поставял под съмнение стационарния характер на Вселената. По това време единствената сянка върху законите на термодинамиката се хвърляла от дарвиновата теория на еволюцията. Според нея процесът на развитие на растителния и животински свят се характеризира с непрекъснато усложнение, с все по-висока организация и ред. Живата природа се съпротивлява на термодинамичното равновесие и хаос. Явно законите на развитието на неживата и живата природа взаимно си противоречат.

Черните дупки

През 1969 Уийлер (J. A. Wheeler) изказва хипотезата: ако хвърлим в черна дупка горещо тяло, което има определена ентропия, то ние намаляваме ентропията на останалата част на Вселената…

Универсален ли е Втория принцип на термодинамиката?

След замяната на модела на стационарната Вселена с развиващ се, в който се проследява нарастващо усложнение на организацията на материалните обекти от елементарни и субелементарни частици в първите мигове след Големия взрив до звездните и галактически системи, несъответствието на принципите на термодинамиката станало още по-очевидно. Ако принципът за нарастване на ентропията е толкова универсален, то как са могли да възникнат такива сложни структури? Случайно?

Излиза, че материята е способна да извършва работа и против термодинамичното равновесие, да се самоорганизира и самоусложнява. Във философията това се приема отдавна, но във фундаменталните естествени науки (физика, химия) се гледа съвсем отскоро сериозно на проявите на антиентропийни процеси.

Разработването на теорията за самоорганизацията започва само преди няколко десетилетия. Днес тя се развива по няколко направления:

• синергетика (Херман Хакен)
• неравновесна термодинамика (Иля Пригожин) и др.

Изследвани са не само експериментално, но са получили и теоретична обосновка такива явления като самоорганизацията на макросистемите във вид на дисипативни структури от И. Пригожин, автовълните в периодичните реакции на Белоусов и Жаботински и др.. Тези открития дали възможност за разглеждане не само на проблемите на самоорганизацията, но и на възникването на живота.