Entropia

Entropia-aine

Edellisessä keskustelussa tutkimme useita termodynamiikan toisen pääsäännön erityislauseita. On huomattava, että nämä erityislauseet voivat selittää vain tiettyjä peruuttamattomia prosesseja. Clausiuksen lause selittää vain lämmönsiirron ja sen suhteen jääkaapin toimintaperiaatteeseen. Kelvinin ja Planckin lauseet liittyvät jääkaapin toimintaperiaatteeseen. lämpömoottoriPohjimmiltaan nämä kaksi väittämää liittyvät lämmönsiirtoon. On monia muita peruuttamattomia prosesseja, joita ei voida selittää näillä kahdella väitteellä.

Termodynamiikan toisen pääsäännön tarkka lause ei voi selittää kaikkia palautumattomia prosesseja, joten tarvitsemme yleisemmän lauseen. Tämän yleisen lauseen odotetaan selittävän kaikki maailmankaikkeudessa tapahtuvat palautumattomat prosessit. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleinen lause muotoiltiin vasta 1800-luvun puolivälissä entropiaksi (S) kutsutun suureen avulla. Entropiaa voidaan pitää epäjärjestyksen mittana. Entropian suureen esitteli ensimmäisenä Clausius, ja se johdettiin Carnot'n kierrosta (täydellinen lämpökone). Clausiuksen mukaan järjestelmän kokeman entropian muutoksen suuruus, kun järjestelmä vastaanottaa lisää lämpöä (Q) vakiolämpötilassa, ilmaistaan ​​yhtälöllä:

Entropia on suure, joka kuvaa järjestelmän mikroskooppista tilaa, eikä sitä siksi voida mitata suoraan. Tarkastelemme vain entropian muutosta. Samalla tavalla kuin järjestelmän energian muutos. termodynamiikan ensimmäinen laki.

Esimerkkikysymys 1:

Kaasumäärä säiliössä laajenee adiabaattisesti. Mikä on kaasun entropian muutos?

Keskustelu

Adiabaattisen prosessin aikana ei tapahdu mitään lämpö joka tulee systeemiin tai poistuu siitä (kaasu). Koska Q = 0, niin ΔS = 0. Systeemin entropia ei muutu eli on vakio. Entä adiabaattinen puristus? Se on periaatteessa sama asia. Adiabaattisessa puristuksessa systeemiin ei siirry eikä sieltä poistu lämpöä (Q = 0). Siksi systeemin entropia on vakio.

Esimerkkikysymys 2:

Carnot-moottori vastaanottaa 2000 J lämpöä 500 K:n lämpötilassa, tekee työtä ja luovuttaa tietyn määrän lämpöä 350 K:n lämpötilassa. Määritä luovutetun lämmön määrä ja moottorin kokonaisentropian muutos yhden työkierron aikana.

Keskustelu

Jos järjestelmä vastaanottaa lämpöä, Q on positiivinen, ja jos järjestelmä vapauttaa lämpöä, Q on negatiivinen. Tässä tapauksessa järjestelmä on Carnot-moottori.

Yhden syklin aikana Carnot-moottori käy läpi kaksi palautuvaa isotermistä prosessia (isoterminen laajeneminen + isoterminen puristus) ja kaksi palautuvaa adiabaattista prosessia (adiabaattinen laajeneminen ja adiabaattinen puristus). Adiabaattisen laajenemisen ja puristuksen aikana järjestelmään ei siirry eikä sieltä poistu lämpöä (Q = 0). Koska Q = 0, entropian muutos adiabaattisen prosessin aikana = 0.

Isotermisen laajenemisen aikana moottori absorboi 2000 J lämpöä (Q) 500 K:n lämpötilassa (T). Koska moottori absorboi lämpöä, Q on positiivinen. Moottorin entropian muutos isotermisen laajenemisen aikana on:

Isotermisen puristuksen aikana moottori hylkää 1400 J lämpöä (Q) 350 K:n lämpötilassa (T). Koska moottori hylkää lämpöä, Q:lla on negatiivinen etumerkki. Moottorin entropian muutos isotermisen puristuksen aikana on:

Kokonaisentropian muutos = 4 J/K - 4 J/K = 0

Esimerkkikysymys 3:

Lämpömoottori vastaanottaa 600 joulea lämpöä (Q) 300 asteen lämpötilassa. ^oC, tehden työtä ja vapauttaen tietyn määrän lämpöä 100 asteen lämpötilassa ^oC. Määritä moottorin yhden syklin aikana hylätyn lämmön määrä ja kokonaisentropian muutos…

Keskustelu

T_H = 300 K

Q_H = 600 J

T_L = 100 K

Q_L =?

Yhden syklin aikana Carnot-moottori käy läpi kaksi palautuvaa isotermistä prosessia (isoterminen laajeneminen + isoterminen puristus) ja kaksi palautuvaa adiabaattista prosessia (adiabaattinen laajeneminen ja adiabaattinen puristus). Adiabaattisen laajenemisen ja puristuksen aikana järjestelmään ei siirry eikä sieltä poistu lämpöä (Q = 0). Koska Q = 0, entropian muutos adiabaattisen prosessin aikana = 0.

Isotermisen laajenemisen aikana moottori absorboi 600 J lämpöä (Q) 300 K:n lämpötilassa (T). Koska moottori absorboi lämpöä, Q on positiivinen. Moottorin entropian muutos isotermisen laajenemisen aikana on:

Isotermisen puristuksen aikana moottori hylkää 200 J lämpöä (Q) 100 K:n lämpötilassa (T). Koska moottori hylkää lämpöä, Q:lla on negatiivinen etumerkki. Moottorin entropian muutos isotermisen puristuksen aikana on:

Kokonaisentropian muutos = 2 J/K - 2 J/K = 0

Esimerkkikysymyksistä numero 2 ja esimerkkikysymyksistä numero 3 näyttää siltä, ​​että palautuvan prosessin kokonaisentropian muutos = 0. Toisin sanoen palautuvassa prosessissa kokonaisentropia on aina vakio.

Esimerkkikysymys 4:

2 kg:n jääpalan lämpötila on 0 ^oC. Jääkuutiot asetetaan astiaan ja kuivataan auringossa. Koska ne saavat lisälämpöä ilmasta ja auringosta, jää sulaa. Määritä jään entropian muutos. (Veden sulamislämpö = 3,34 x 10⁵ J/kg)

Keskustelu

Jään massa = 2 kg

Jään lämpötila = 0 ^oC + 273 = 273 K

Veden sulamislämpö = 3,34 x 10 5 J/kg

Lämpömäärä, joka tarvitaan 2 kg:n jään sulattamiseen vedeksi:

Q = ml

Q = (2 kg)(3,34 x 10⁵ J/kg)

Q = 6,68 x 10⁵ J

Q = 668 x 10³ J

Sulamisprosessin (jään muuttuminen vedeksi) aikana lämpötila on vakio. Koska lämpötila on vakio, jään entropian muutos lasketaan.

Esimerkkikysymys 5:

Lasillinen vettä, jonka lämpötila on 26 astetta ^oC sekoitettuna lasilliseen vettä, jonka lämpötila on 22 ^oC. Jos lasin veden massa on 2 kg, määritä veden entropian muutos. Oletetaan, että kuumaa ja kylmää vettä sekoitetaan suljetussa, hyvin eristetyssä astiassa. Lämmönsiirto on peruuttamaton prosessi.

Keskustelu

Veden ominaislämpökapasiteetti (c) = 4180 J/kg C^o

Veden massa = 2 kg (sama veden massa).

Koska veden massa on sama, seoksen lopullinen lämpötila = 24 ^oC (26 ^oC + 22 ^oC / 2 = 48 ^oC / 2 = 24 ^oC).

Lämmön määrä, jonka kuuma vesi vapauttaa, kun sen lämpötila laskee 26:sta ^oC - 24 ^oC:

Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg C^o)(26 ^oC - 24 ^oC) = (2 kg)(4180 J/kg C^o)(2 ^oC) = 16720 J

Kylmän veden imemä lämpömäärä, kun sen lämpötila nousee 22 °C:sta 24 °C:een:

Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg C^o)(24 ^oC - 22 ^oC) = (2 kg)(4180 J/kg C^o)(2 ^oC) = 16720 J

Kokonaisentropian muutos = kuuman veden entropian muutos + kylmän veden entropian muutos

Lämpimän veden keskilämpötila = (26 ^oC + 24 ^oC) / 2 = 50 ^oC / 2 = 25 ^oC ‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 K

Kylmän veden keskilämpötila = (22 ^oC + 24 ^oC) / 2 = 46 ^oC / 2 = 23 ^oC ‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 K

Kuuma vesi vapauttaa lämpöä, joten Q on negatiivinen. Kylmä vesi puolestaan ​​imee lämpöä, joten Q on positiivinen. Muista Q-merkkisopimus (termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö).

ΔS Yhteensä = ΔS lämmin vesi + ΔS kylmä vesi

Δ S Yhteensä = ‐ 56 107 J/K + 56 486 J/K

ΔS Yhteensä = 0,379 J/K

Kokonaisentropia kasvaa 0,379 J/K

Vaikka joidenkin järjestelmän osien entropia pienenee (‐56,107 J/K), joidenkin järjestelmän osien entropia kasvaa enemmän (+ 56,486 J/K), joten kokonaisentropia aina kasvaa (+ 0,379 J/K).

Kokonaisentropian kasvu palautumattomassa prosessissa ei päde ainoastaan ​​edellä analysoimamme kuuman ja kylmän veden seoksen väliseen lämmönsiirtoon, vaan se pätee myös kaikkiin tutkijoiden tutkimiin tapauksiin. Kokonaisentropia pysyy aina vakiona, jos prosessi on palautuva. Jos prosessi on palautumaton, kokonaisentropia aina kasvaa.

Pohjimmiltaan kaikki luonnolliset prosessit jokapäiväisessä elämässämme ovat peruuttamattomia, joten kokonaisentropia väistämättä kasvaa. Tämä tosiasia voidaan tiivistää seuraavaan lauseeseen:

Peruuttamattomassa prosessissa systeemin ja ympäristön kokonaisentropia kasvaa aina.

Tämä kursiivilla kirjoitettu lause on yleinen lausunto termodynamiikan toisesta pääsäännöstä. Termodynamiikan toinen pääsääntö eroaa jonkin verran muista fysiikan laeista. Yleensä fysikaaliset lait ilmaistaan ​​yhtälöinä (esim. Newtonin lait) tai säilymislakeina (esim. energian säilymislaki).

Entropia on epäjärjestyksen mitta

Entropiaa voidaan pitää epäjärjestyksen mittana. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleisen lausunnon mukaan epäjärjestys pyrkii lisääntymään peruuttamattomissa prosesseissa. Toisin sanoen jokainen peruuttamaton prosessi johtaa olennaisesti epäjärjestyksen tilaan. Epäjärjestyksen merkitys tässä saattaa olla epäselvä, joten se selitetään käyttämällä esimerkkejä peruuttamattomista prosesseista, joita tapahtuu jokapäiväisessä elämässä.

On tärkeää huomata, että entropian käsite yhdistettiin alun perin vain palautumattomiin prosesseihin, joihin liittyi energiamuodon muutoksia ja energiansiirtoa. Kun mango on irronnut varrestaan ​​ja pudonnut vapaasti, kunnes se osuu maahan, se ei koskaan liu'u ylöspäin. Kirja, jota työnnämme ja sitten pysähdymme, ei koskaan liiku takaisin meitä kohti. Nämä ovat esimerkkejä palautumattomista prosesseista, jotka liittyvät energiamuodon muutoksiin ja energian siirtymiseen kappaleesta toiseen. Nämä prosessit tapahtuvat vain yhteen suuntaan, mutta eivät koskaan vastakkaiseen suuntaan. Mango ei koskaan liu'u ylöspäin yksinään, koska sisäinen energia muuttui kineettinen energiaKirja ei koskaan liu'u meitä kohti, koska kitkan synnyttämä lämpö muuttuu liike-energiaksi.

Maailmankaikkeudessa tapahtuvat peruuttamattomat prosessit eivät liity ainoastaan ​​energiamuotojen muutoksiin ja energiansiirtoon. Syntymän jälkeen meistä kasvaa vauvoja, lapsia, teini-ikäisiä, aikuisia, sitten vanhenemme ja rappeudumme ja lopulta kuolemme 😉 Oletko koskaan nähnyt vanhan ihmisen muuttuvan vauvaksi? Ei koskaan… Käyttämämme matkapuhelin tylsyy ja vaurioituu ajan myötä… Uusi auto, joka oli alun perin tasainen ja tehokas, muuttuu vähemmän tasaiseksi ja heikoksi muutaman vuoden käytön jälkeen. Oletko koskaan nähnyt vanhan auton yhtäkkiä tulevan taas uudeksi? Tai suosikkimatkapuhelimesi paranee ja paranee joka päivä tasaisemmaksi? Ei koskaan… Käytön jälkeen matkapuhelin tylsyy ja vaurioituu. Autot ovat samoja… Nämä ovat esimerkkejä peruuttamattomista prosesseista, joilla ei ole mitään tekemistä energiamuotojen muutosten ja energiansiirron kanssa…. Nyt kun ymmärrämme, että kaikki maailmankaikkeudessa tapahtuvat luonnolliset prosessit ovat peruuttamattomia, entropian käsite laajenee. Keskustelu ei kata vain termodynaamisia prosesseja, vaan myös monia muita peruuttamattomia prosesseja maailmankaikkeudessa.

Keskustellaan nyt joistakin arkielämässä tapahtuvista peruuttamattomista prosesseista. Tarkastellaan ensin yksinkertaista peruuttamatonta prosessia. Tämä on vasta johdanto, jotta ymmärrät entropian käsitteen ja sen suhteen peruuttamattomiin prosesseihin.

Oletetaan esimerkiksi, että sinulla on useita punaisia ​​ja sinisiä marmorikuulia. Marmorit on asetettu astiaan. Siniset marmorikuulat on järjestetty siististi pohjalle, kun taas punaiset marmorikuulat on järjestetty siististi yläosaan (vasen kuva). Marmorien järjestys astiassa näyttää erittäin järjestelmälliseltä… Pohja on kokonaan sininen, yläosa on kokonaan punainen.

Seuraavaksi ravistat astiaa ylös ja alas. Koska astiaa liikutetaan ylös ja alas, marmorien aluksi hyvin säännöllinen järjestys muuttuu jälleen epäsäännölliseksi (oikea kuva). Punaiset ja siniset marmorit sekoittuvat keskenään 😉 Mitä enemmän ravistat sitä, marmorien järjestys muuttuu epäsäännöllisemmäksi… Onko mahdollista, että ravistamisen jälkeen marmorien järjestys palautuu säännölliseksi kuten ennen? Se on mahdotonta… Todista se, jos et usko. On mahdotonta, että marmorit palautuvat säännöllisiksi kuten ennen… Tämä on esimerkki peruuttamattomasta prosessista. Peruuttamattoman prosessin jälkeen marmorien aluksi hyvin säännöllinen järjestys muuttuu epäsäännölliseksi. Säännöllisyys on muuttunut epäsäännöllisyydeksi…

Sama asia tapahtuu muissakin palautumattomissa prosesseissa. Kun kosketamme kuumaa ja kylmää kappaletta, lämpö virtaa automaattisesti kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen… Lämpövirtaus lakkaa, kun kaksi kosketuksessa olevaa kappaletta saavuttavat saman lämpötilan. Tämä prosessi on peruuttamaton… No, aluksi meillä on kaksi molekyylijärjestelyä: molekyylit, joilla on suuri keskimääräinen kineettinen energia (molekyylit, jotka muodostavat kuuman kappaleen), ja molekyylit, joilla on pieni keskimääräinen kineettinen energia (molekyylit, jotka muodostavat kylmän kappaleen). Kun kuuma ja kylmä kappale saavuttavat saman lämpötilan (molekyyleillä on sama keskimääräinen kineettinen energia), emme enää pysty erottamaan molekyylien kahta järjestelyä. Alun perin säännöllinen molekyylien järjestely muuttuu epäsäännölliseksi. Samanlainen kuin yllä oleva marmoripallojen järjestely… Kun kaksi kappaletta saavuttavat saman lämpötilan, molekyylien säännöllinen järjestely muuttuu epäsäännölliseksi (epäsäännöllisyys lisääntyy peruuttamattoman lämmönsiirron vuoksi).

Lisäksi lämmön virtausta kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen voidaan ajatella lämmön virtauksena korkean lämpötilan alueelta matalan lämpötilan alueelle lämpömoottorissa. Lämmön virtaus korkean lämpötilan alueelta matalan lämpötilan alueelle mahdollistaa lämpömoottorin työn suorittamisen. Lämpömoottori ei voi suorittaa työtä ilman lämmön virtausta. Siten voimme määrittää yhteyden epäjärjestyksen koon ja työn suorittamiskyvyn välille. Saman lämpötilan saavuttamisen jälkeen ei ole enää lämmön virtausta kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen (epäjärjestys lisääntyy). Koska lämmön virtauksen puuttuminen estää lämpömoottoria suorittamasta työtä, voimme sanoa, että järjestelmässä, joka ei pysty suorittamaan työtä, on paljon epäjärjestystä, kun taas järjestelmässä, joka pystyy suorittamaan työtä, on vähän epäjärjestystä...

Näistä tuloksista voimme tehdä johtopäätöksiä energiamuotojen ja epäjärjestyksen mittauksen välisestä suhteesta. Pohjimmiltaan energiamuoto, jota voidaan käyttää työn tekemiseen, on potentiaalienergia. Veden gravitaatiopotentiaalienergiaa voidaan käyttää turbiinin liikuttamiseen. Öljyn kemiallista potentiaalienergiaa voidaan käyttää ajoneuvon liikuttamiseen. Kehomme kemiallista potentiaalienergiaa voidaan käyttää työn tekemiseen, matkustamiseen, opiskeluun… Mangon gravitaatiopotentiaalienergiaa voidaan käyttää talon katon vuodon korjaamiseen 😉 Koska hyödyllisiä energiamuotoja voidaan käyttää työn tekemiseen, voimme sanoa, että hyödylliset energiamuodot ovat järjestäytyneempiä, kun taas hyödyttömät energiamuodot ovat epäjärjestyneempiä. Hyödyttömän energian muodot ovat sisäinen energia ja lämpö… Maahan osuttuaan mango ei koskaan enää liu'u ylöspäin, koska sisäinen energia muuttuu kineettiseksi energiaksi…

Kun työnnämme kirjaa, se liikkuu. Kitkan läsnäolo pysäyttää kirjan liikkumisen… Tässä tapauksessa kirjan liike-energia on muuttunut lämmöksi (lämpö syntyy kitkan vuoksi). Todellisuudessa kirja, joka ei vieläkään liu'u takaisin meitä kohti, koska lämpö on muuttunut liike-energiaksi… Nämä kaksi esimerkkiä osoittavat, että lämpö on kaksi hyödytöntä energiamuotoa. Hyödyttömiä energiamuotoja ei voida käyttää työn tekemiseen. Voimme siis sanoa, että lämmöllä ja sisäisellä energialla on suuri epäsäännöllisyys…

Pohjimmiltaan energian muodon muuttaminen hyödyllisestä energian muodosta hyödyttömäksi lisää aina epäjärjestystä… Slangissa entropia kasvaa aina energian muodon muutoksen aikana… Koska entropia kasvaa aina ajan myötä, kaikki hyödylliset energian muodot muuttuvat hyödyttömiksi. Energia säilyy aina energian muodon muutoksen prosessissa, mutta järjestynyt ja työn tekemiseen soveltuva energian muoto muuttuu epäsäännölliseen muotoon, eikä sitä voida käyttää työn tekemiseen…

Entropia ja tilastotiede

Aiemmin käsittelimme, että entropia on epäjärjestyksen mitta. Jokainen peruuttamaton prosessi johtaa olennaisesti voimakkaaseen epäjärjestykseen. Tämä ajatus saattaa vaikuttaa abstraktilta ja epäselvältä. Ymmärtääksemme entropian käsitteen paremmin voimme käyttää tilastollista lähestymistapaa. Ludwig Boltzmann (1844–1906) käytti ensimmäisenä entropian käsitteen ymmärtämistä tilastollisen lähestymistavan avulla.

Tämän artikkelin alussa selitettiin, että entropia on suure, joka kuvaa järjestelmän mikroskooppista tilaa. Makroskooppisia tiloja kuvaavat suureet voidaan tietää suoraan, mutta mikroskooppisia tiloja kuvaavat suureet eivät ole. Ymmärtääksemme mikroskooppista tilaa voimme tutkia makroskooppisten ja mikroskooppisten tilojen välistä suhdetta.

Onko sinulla sadan rupian kolikko? Sadan rupian kolikolla on kaksi puolta: toisella puolella on Garuda-lintu ja toisella puolella sana 100 rupiaa. Joten esimerkiksi jos sinulla on neljäsataa rupiaa kolikkoa… jos heität kaikki neljäsataa rupiaa kolikkoa lattialle, yhdellä heitolla on viisi eri lopputulosta:

Ensin ilmestyvät kaikki Garuda-linnun kuvat (4 kuvaa);

Toiseksi ilmestyy kolme kuvaa Garuda-linnusta, yksi sadan rupian kirjoitus (kolme kuvaa, yksi kirjoitus);

Kolmanneksi, kaksi kuvaa Garuda-linnusta ilmestyy, kaksi sanaa sata rupiaa (kaksi kuvaa, kaksi sanaa);

Neljänneksi, ilmestyy yksi kuva Garuda-linnusta, kolme sanaa sata rupiaa (yksi kuva, kolme sanaa);

Viidenneksi, sanat sata rupiaa esiintyvät (4 sanaa)…

Kutsumme näitä viittä mahdollista kuvaa tai kirjoitusta makroskooppisiksi tiloiksi (makro = suuri). Kääntäen, jos esitämme neljä kolikkoa kuvina tai kirjoituksina, esitämme mikroskooppisia tiloja (mikro = pieni).

Yhdellä heitolla on 16 mahdollista mikroskooppista tilaa (jokaisella kolikolla on kaksi mahdollisuutta. Neljällä kolikolla on 16 mahdollisuutta = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16). Suurin todennäköisyys on, että ilmestyy 2 kuvaa ja 2 kirjoitusta (yhteensä 16 mikroskooppisesta tilasta on 6 mahdollista mikroskooppista tilaa - 6/16 x 100 % = 37,5 %). Toisaalta pienin todennäköisyys on, että ilmestyy 4 kuvaa tai 4 kirjoitusta (jokaisella on 1 mahdollinen mikroskooppinen tila - 1/16 x 100 % = 6,25 %). Tässä keskustelemme vain mahdollisuudesta tai todennäköisyydestä... Jos heitämme kolikoita 16 kertaa, ei ole varmaa, että 2 kuvaa ja 2 kirjoitusta ilmestyy 6 kertaa. Mutta jos heitämme kolikoita tuhansia kertoja, 2 kuvan ja 2 kirjoituksen ilmestymisen todennäköisyys voi lähestyä 37,5 %.

On parempi todistaa se... Heitä neljääsataa rupiaa 100 kertaa (1000 kertaa, jos pystyt 😉). Kirjaa yhdellä heitolla saadut tiedot... Kun olet heittänyt kolikoita 100 kertaa, huomaat, että useimmiten esiintyy 2 kuvaa ja 2 kirjoitusta. Mitä enemmän heittoja on, sitä todennäköisyys saada 2 kuvaa ja 2 kirjoitusta lähestyy 37,5 % heittojen kokonaismäärästä.

Aiemmin tarkastelimme vain neljää kolikkoa. Jos lisäämme kolikoiden määrää, mikroskooppisten tilojen määrä kasvaa. Esimerkiksi meillä on 100 kolikkoa… Yhdellä heitolla on 2 x 100 = 1,27 x 1030 mahdollista mikroskooppista tilaa… Suurin todennäköisyys on, että ilmestyy 50 kuvaa ja 50 kirjoitusta (mahdollisia mikroskooppisia tiloja on 1,01 x 1029 yhteensä 1,27 x 1030 mikroskooppisesta tilasta). Kääntäen, pienin todennäköisyys on, että ilmestyy 100 kuvaa tai 100 kirjoitusta (jokaisella on vain yksi mahdollinen mikroskooppinen tila yhteensä 1,27 x 1030 mikroskooppisesta tilasta). Hyvin pieni ja lähes mahdoton… Jos meillä on 1000 kolikkoa, 1000 kuvan tai 1000 kirjoituksen ilmestymisen todennäköisyys on tietenkin vielä pienempi ja yhä mahdottomampi.

Yhdistääksemme tämän entropian käsitteeseen voimme olettaa, että kaikki kuvat tai kaikki teksti on järjestäytyneessä järjestyksessä, kun taas puolet kuvista ja puolet tekstistä on epäsäännöllisessä järjestyksessä. Mitä suurempi kolikoiden lukumäärä on, sitä pienemmäksi järjestetyn järjestelyn (kaikki kuvat tai kaikki teksti) todennäköisyys tai mahdollisuus muuttuu, ja siitä tulee lähes mahdotonta. Kääntäen, epäsäännöllisellä järjestelyllä (puolet kuvista ja puolet tekstistä) on paljon suurempi todennäköisyys tai mahdollisuus. Tästä tuloksesta näyttää siltä, ​​että epäsäännöllisyys liittyy läheisesti todennäköisyyteen. Todennäköisin tila on epäsäännöllinen tila, kun taas epätodennäköisin tila on järjestäytynyt tila.

Termodynamiikan toisen pääsäännön yleinen lause, josta keskustelimme aiemmin, sanoo, että entropia eli epäjärjestys kasvaa aina jokaisessa palautumattomassa prosessissa. Tämä termodynamiikan toisen pääsäännön lause voidaan ymmärtää todennäköisyyslauseena. Tämä tarkoittaa, että jokainen maailmankaikkeudessa tapahtuva prosessi on se, jolla on suurin todennäköisyys tai mahdollisuus. Termodynamiikan toinen pääsääntö ei kiellä entropian vähenemistä jokaisessa palautumattomassa prosessissa, mutta todennäköisyys on hyvin pieni, lähes mahdoton. Kääntäen, entropian kasvulla on paljon suurempi todennäköisyys. Aiemmin tarkastelemamme pennien määrä oli vain 100... todellisuudessa niitä on 6,02 x 10²³ molekyylejä… tämä on erittäin suuri luku. Tämän luvun mahdolliset mikroskooppiset tilat ovat tietenkin erittäin suuria, joten millä tahansa kertaluokalla on hyvin pieni, lähes mahdoton, mahdollisuus…

Jos pudotamme lasin lattialle, lattialla olevat lasinsirpaleet voivat kasaantua uudelleen ja muodostaa kokonaisen lasin kuten ennenkin. Mutta tämän todennäköisyys on niin pieni, ettei se ole mahdollista... kun lasi on vielä ehjä, molekyylien sijainti on järjestyneempi. Kun lasi putoaa niin, että se särkyy ja lasinsirpaleet leviävät maahan, molekyylien sijainti muuttuu epäjärjestyneeksi. Mahdollisuus palata järjestyneeseen asentoon on niin pieni, ettei lasimolekyylien odotettavissa oleva kasaantuminen ole mahdollista. Jos kosketamme kuumaa ja kylmää esinettä, lämpö virtaa itsestään kuumasta esineestä kylmään esineeseen... kuumissa esineissä on molekyylejä, jotka liikkuvat satunnaisesti ja nopeasti, kun taas kylmien esineiden muodostavien molekyylien liike ei ole kovin nopeaa. Näiden nopeasti liikkuvien molekyylien todennäköisyys törmätä toisiinsa tai siirtyä kylmään esineeseen on paljon suurempi kuin hitaasti liikkuvien molekyylien todennäköisyys... kuka tahansa on nopea, tajuaa sen 😉 lämpö voi siirtyä kylmästä esineestä kuumaan esineeseen, mutta tämän todennäköisyys on paljon pienempi.

Yllä olevan kuvan siniset ja punaiset marmorit voisivat palata alkuperäiseen, säännölliseen tilaan. Mutta mahdollisuus palata järjestäytyneeseen järjestykseen on paljon pienempi. Epäjärjestyneellä järjestyksellä on paljon suurempi mahdollisuus. Samoin kaasun vapaa laajeneminen suljetussa astiassa on mahdollista. Säiliössä on kaksi kammiota, jotka on erotettu esteellä. Aluksi kaasu on vasemmassa kammiossa. Kun este poistetaan, kaasumolekyylit kerääntyvät oikeaan kammioon. Oikea kammio on tyhjä, kun taas vasemmassa kammiossa on satunnaisesti liikkuvia molekyylejä. Kun este poistetaan, molekyyleillä on suuri mahdollisuus päästä tyhjään kammioon. Kun molekyylit täyttävät koko kaksikammioisen säiliön tilavuuden, onko mahdollista, että kaikki molekyylit täyttävät vasemman kammion uudelleen? Se on mahdollista, mutta todennäköisyys on hyvin pieni. Pelkästään yhdessä moolissa on 6,02 x 10²³ molekyylejä… todennäköisyys sille, että kaikki molekyylit ovat vasemmanpuoleisessa tilassa, on yksi miljoonasta. Yksi miljoonasta on hyvin pieni ja lähes mahdoton todennäköisyys…

Termodynamiikan toinen pääsääntö kertoo meille, että jokainen maailmankaikkeudessa tapahtuva prosessi on todennäköisin prosessi. Suunta, johon prosessi luonnossa etenee (kohti korkeampaa entropiaa), määräytyy sattuman tai todennäköisyyden mukaan… epäjärjestyksellä on paljon suurempi todennäköisyys esiintyä ja siksi se on todennäköisempi…

Entropia = ajan nuoli

Entropiaa kutsutaan myös ajan nuoleksi, koska se kertoo meille suunnan, johon aika kuluu. Jokainen luonnollinen prosessi kulkee kohti epäjärjestystä. Jos havaitsemme päinvastaisen, eli epäjärjestyksen itsensä muuttuvan järjestykseksi, voimme sanoa, että tapahtuma on päinvastainen. Jos näemme lattialla hajallaan olevien lasinsirpaleiden kerääntyvän uudelleen ja muodostavan jälleen kokonaisen lasin, voimme sanoa, että tapahtuma on päinvastainen. Tätä ei koskaan tapahdu jokapäiväisessä elämässämme, ja jos näin tapahtuisi, se rikkoisi termodynamiikan toista pääsääntöä. Tässä tapauksessa aika ei koskaan liiku taaksepäin eikä epäjärjestys koskaan muutu automaattisesti järjestykseksi. Todennäköisin ja jatkuvin ilmiö elämässämme on, että järjestys liikkuu aina kohti epäjärjestystä; aika liikkuu aina eteenpäin, ei taaksepäin. Jos vanhasta ihmisestä tulee vauva, pitäisimme tätä epänormaalina ja termodynamiikan toisen pääsäännön rikkomisena.