ენტროპი

ენტროპია მატერია

წინა განხილვაში შევისწავლეთ თერმოდინამიკის მეორე კანონის რამდენიმე კონკრეტული დებულება. უნდა აღინიშნოს, რომ ამ კონკრეტულ დებულებებს მხოლოდ გარკვეული შეუქცევადი პროცესების ახსნა შეუძლია. კლაუზიუსის დებულება მხოლოდ სითბოს გადაცემას და მის კავშირს მაცივრების მუშაობის პრინციპთან ხსნის. კელვინისა და პლანკის დებულებები სითბური ძრავების მუშაობის პრინციპს ეხება . არსებითად, ეს ორი დებულება სითბოს გადაცემას ეხება. არსებობს მრავალი სხვა შეუქცევადი პროცესი, რომელთა ახსნა ამ ორი დებულებით შეუძლებელია.

თერმოდინამიკის მეორე კანონის კონკრეტული დებულება ვერ ხსნის ყველა შეუქცევად პროცესს, ამიტომ ჩვენ გვჭირდება უფრო ზოგადი დებულება. ეს ზოგადი დებულება, სავარაუდოდ, ხსნის სამყაროში მიმდინარე ყველა შეუქცევად პროცესს. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგადი დებულება მხოლოდ მეცხრამეტე საუკუნის შუა ხანებში ჩამოყალიბდა, ენტროპიის (S) სახელით ცნობილი სიდიდის მეშვეობით. ენტროპია შეიძლება განვიხილოთ, როგორც არეულობის საზომი. ენტროპიის სიდიდე პირველად კლაუზიუსმა შემოიღო და კარნოს ციკლიდან (სრულყოფილი სითბური ძრავა) გამომდინარეობს. კლაუზიუსის თანახმად, სისტემის მიერ განცდილი ენტროპიის ცვლილების სიდიდე, როდესაც სისტემა მუდმივ ტემპერატურაზე დამატებით სითბოს (Q) იღებს, გამოისახება განტოლებით:

ენტროპია არის სიდიდე, რომელიც აღწერს სისტემის მიკროსკოპულ მდგომარეობას და შესაბამისად, მისი პირდაპირ გაზომვა შეუძლებელია. ჩვენ მხოლოდ ენტროპიის ცვლილებას ვიკვლევთ. ის თერმოდინამიკის პირველ კანონში ენერგიის ცვლილების მსგავსია.

მაგალითი კითხვა 1:

კონტეინერში არსებული გაზის რაოდენობა განიცდის ადიაბატურ გაფართოებას. რა არის გაზის ენტროპიის ცვლილება?

დისკუსია

ადიაბატური პროცესის დროს სისტემაში (აირში) არც სითბო შედის და არც ტოვებს. რადგან Q = 0, Δ S = 0. სისტემის ენტროპია მუდმივი რჩება. რაც შეეხება ადიაბატურ შეკუმშვას? ის არსებითად იგივეა. ადიაბატური შეკუმშვის დროს სისტემაში არც სითბო შედის და არც ტოვებს (Q = 0). შესაბამისად, სისტემის ენტროპია მუდმივია.

მაგალითი კითხვა 2:

კარნოს ძრავა 500 K ტემპერატურაზე იღებს 2000 ჯ სითბოს, ასრულებს მუშაობას და გამოყოფს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას 350 K ტემპერატურაზე. განსაზღვრეთ გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა და ძრავის სრული ენტროპიის ცვლილება ერთი ციკლის განმავლობაში.

დისკუსია

თუ სისტემა სითბოს იღებს, Q დადებითია, თუ სისტემა სითბოს გამოყოფს, Q უარყოფითია. ამ შემთხვევაში სისტემა კარნოს ძრავაა.

ერთი ციკლის განმავლობაში კარნოს ძრავა განიცდის ორ შექცევად იზოთერმულ პროცესს (იზოთერმული გაფართოება + იზოთერმული შეკუმშვა) და ორ შექცევად ადიაბატურ პროცესს (ადიაბატური გაფართოება და ადიაბატური შეკუმშვა). ადიაბატური გაფართოებისა და შეკუმშვის პროცესების დროს სისტემაში არც სითბო შედის და არც ტოვებს (Q = 0). რადგან Q = 0, ენტროპიის ცვლილება ადიაბატური პროცესის დროს = 0.

იზოთერმული გაფართოების დროს, ძრავა შთანთქავს 2000 ჯ სითბოს (Q) 500 K ტემპერატურაზე (T). რადგან ძრავა შთანთქავს სითბოს, Q დადებითია. იზოთერმული გაფართოების დროს ძრავის ენტროპიის ცვლილებაა:

იზოთერმული შეკუმშვის დროს, ძრავა გამოყოფს 1400 ჯ სითბოს (Q) 350 K ტემპერატურაზე (T). რადგან ძრავა გამოყოფს სითბოს, Q-ს აქვს უარყოფითი ნიშანი. იზოთერმული შეკუმშვის დროს ძრავის ენტროპიის ცვლილებაა:

ენტროპიის საერთო ცვლილება = 4 J/K ‐ 4 J/K = 0

მაგალითი კითხვა 3:

^{სითბური ძრავა 300 °} C ტემპერატურაზე იღებს 600 ჯოულ სითბოს (Q) , ასრულებს მუშაობას და გამოყოფს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას 100 ^° C ტემპერატურაზე. განსაზღვრეთ გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა და ძრავის სრული ენტროპიის ცვლილება ერთი ციკლის განმავლობაში...

დისკუსია

T _H = 300 K

Q _H = 600 J

T _L = 100 K

Q _L = ?

ერთი ციკლის განმავლობაში კარნოს ძრავა განიცდის ორ შექცევად იზოთერმულ პროცესს (იზოთერმული გაფართოება + იზოთერმული შეკუმშვა) და ორ შექცევად ადიაბატურ პროცესს (ადიაბატური გაფართოება და ადიაბატური შეკუმშვა). ადიაბატური გაფართოებისა და შეკუმშვის პროცესების დროს სისტემაში არც სითბო შედის და არც ტოვებს (Q = 0). რადგან Q = 0, ენტროპიის ცვლილება ადიაბატური პროცესის დროს = 0.

იზოთერმული გაფართოების დროს, ძრავა შთანთქავს 600 ჯ სითბოს (Q) 300 K ტემპერატურაზე (T). რადგან ძრავა შთანთქავს სითბოს, Q დადებითია. იზოთერმული გაფართოების დროს ძრავის ენტროპიის ცვლილებაა:

იზოთერმული შეკუმშვის დროს, ძრავა გამოყოფს 200 ჯ სითბოს (Q) 100 K ტემპერატურაზე (T). რადგან ძრავა გამოყოფს სითბოს, Q-ს აქვს უარყოფითი ნიშანი. იზოთერმული შეკუმშვის დროს ძრავის ენტროპიის ცვლილებაა:

ენტროპიის საერთო ცვლილება = 2 J/K ‐ 2 J/K = 0

მაგალითის კითხვიდან #2 და მაგალითის კითხვიდან ჩანს, რომ შექცევადი პროცესის სრული ენტროპიის ცვლილება = 0-ია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შექცევად პროცესში სრული ენტროპია ყოველთვის მუდმივია.

მაგალითი კითხვა 4:

2 კგ-იანი ყინულის კუბის ტემპერატურა 0 ^° C-ია. ყინულის კუბი მოთავსებულია კონტეინერში და მზის სხივების ზემოქმედების ქვეშაა. ჰაერისა და მზის დამატებითი სითბოს გამო, ყინული დნება. განსაზღვრეთ ყინულის ენტროპიის ცვლილება. (წყლის დნობის სითბო = 3,34 x 105 ^ჯ /კგ)

დისკუსია

ყინულის მასა = 2 კგ

ყინულის ტემპერატურა = 0 ^° C + 273 = 273°K

წყლის დნობის სითბო = 3,34 x 10 5 ჯ/კგ

2 კგ ყინულის წყალში დნობისთვის საჭირო სითბო:

Q = მლ

Q = (2 კგ)(3,34 x 10 ⁵ ჯ/კგ)

Q = 6,68 x 10 ⁵ J

Q = 668 x 10 ³ J

დნობის პროცესის დროს (ყინულიდან წყლად გარდაქმნის დროს) ტემპერატურა მუდმივია. რადგან ტემპერატურა მუდმივია, ყინულის ენტროპიის ცვლილება გამოითვლება.

მაგალითი კითხვა 5:

^{26 °} C ტემპერატურის მქონე ერთი ჭიქა წყალი ერევა 22 ^° C ტემპერატურის მქონე ერთ ჭიქა წყალს. თუ ჭიქაში წყლის მასა = 2 კგ-ია, განსაზღვრეთ წყლის ენტროპიის ცვლილება. ვივარაუდოთ, რომ ცხელი და ცივი წყალი ერევა დახურულ, კარგად იზოლირებულ ჭურჭელში. სითბოს გადაცემა შეუქცევადი პროცესია.

დისკუსია

წყლის სპეციფიკური სითბოტევადობა (c) = 4180 ჯ/კგ ^C₂o

წყლის მასა = 2 კგ (წყლის იგივე მასა).

რადგან წყლის მასა ერთნაირია, ნარევის საბოლოო ტემპერატურა = 24 ^° C (26 ^° C + 22 ^° C / 2 = 48 ^° C / 2 = 24 ^° C) იქნება.

ცხელი წყლის მიერ გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა, როდესაც მისი ტემპერატურა 26 ^° C-დან 24 ^° C-მდე ეცემა:

Q = mc Δ T = (2 კგ)(4180 ჯ/კგ C ^o )(26 ^o C – 24 ^o C) = (2 კგ)(4180 ჯ/კგ C ^o )(2 ^o C) = 16720 ჯ

ცივი წყლის მიერ შთანთქმული სითბოს რაოდენობა, როდესაც მისი ტემპერატურა 22°C-დან 24°C-მდე იზრდება:

Q = mc Δ T = (2 კგ)(4180 ჯ/კგ C ^o )(24 ^o C – 22 ^o C) = (2 კგ)(4180 ჯ/კგ C ^o )(2 ^o C) = 16720 ჯ

სრული ენტროპიის ცვლილება = ცხელი წყლის ენტროპიის ცვლილება + ცივი წყლის ენტროპიის ცვლილება

ცხელი წყლის საშუალო ტემპერატურა = (26 ^° C + 24 ^° C) / 2 = 50 ^° C / 2 = 25 ^° C ‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 K

ცივი წყლის საშუალო ტემპერატურა = (22 ^° C + 24 ^° C) / 2 = 46 ^° C / 2 = 23 ^° C ‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 K

ცხელი წყალი გამოყოფს სითბოს, ამიტომ Q უარყოფითია. პირიქით, ცივი წყალი შთანთქავს სითბოს, ამიტომ Q დადებითია. გაიხსენეთ Q ნიშნის კონვენცია (თერმოდინამიკის პირველი კანონი).

ΔS სულ = ΔS ცხელი წყალი + ΔS ცივი წყალი

Δ S სულ = ‐ 56,107 J/K + 56,486 J/K

Δ S სულ = 0,379 J/K

საერთო ენტროპია იზრდება 0,379 ჯ/კ-ით

მიუხედავად იმისა, რომ სისტემის ზოგიერთი ნაწილის ენტროპია მცირდება (‐56,107 J/K), სისტემის ზოგიერთი ნაწილის ენტროპია უფრო დიდი რაოდენობით იზრდება (+ 56,486 J/K), ამიტომ სრული ენტროპია ყოველთვის იზრდება (+ 0,379 J/K).

შეუქცევად პროცესში სრული ენტროპიის ზრდა არა მხოლოდ ზემოთ გაანალიზებულ ცხელ და ცივ წყლის ნარევს შორის სითბოს გადაცემას ეხება, არამედ მეცნიერების მიერ შესწავლილ ყველა შემთხვევასაც ეხება. სრული ენტროპია ყოველთვის მუდმივი რჩება, თუ პროცესი შექცევადია. თუ პროცესი შეუქცევადია, სრული ენტროპია ყოველთვის იზრდება.

არსებითად, ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში ყველა ბუნებრივი პროცესი შეუქცევადია, ამიტომ სრული ენტროპია გარდაუვლად იზრდება. ეს ფაქტი შემდეგ სტრიქონში შეჯამებულია:

შეუქცევადი პროცესის დროს სისტემისა და გარემოს სრული ენტროპია ყოველთვის იზრდება.

ეს დახრილი წინადადება თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგადი დებულებაა. თერმოდინამიკის მეორე კანონი გარკვეულწილად განსხვავდება ფიზიკის სხვა კანონებისგან. როგორც წესი, ფიზიკური კანონები გამოიხატება განტოლებების (მაგ., ნიუტონის კანონები) ან შენახვის კანონების (მაგ., ენერგიის შენახვის კანონი) სახით.

ენტროპია არეულობის საზომია

ენტროპია შეიძლება ჩაითვალოს არეულობის საზომად. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგად დებულებასთან მიმართებაში, არეულობა შეუქცევად პროცესებში ზრდის ტენდენციას განიცდის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყველა შეუქცევადი პროცესი არსებითად არეულობის მდგომარეობამდე მიგვიყვანს. არეულობის მნიშვნელობა აქ შეიძლება ბუნდოვანი იყოს, ამიტომ ის აიხსნება ყოველდღიურ ცხოვრებაში მიმდინარე შეუქცევადი პროცესების მაგალითებით.

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ენტროპიის კონცეფცია თავდაპირველად მხოლოდ შეუქცევად პროცესებთან ასოცირდებოდა, რომლებიც ენერგიის ფორმისა და გადაცემის ცვლილებებს მოიცავდა. ღეროდან გათავისუფლებისა და მიწაზე დაცემამდე თავისუფლად დაცემის შემდეგ, მანგო არასდროს სრიალებს ზემოთ. წიგნი, რომელსაც ვუბიძგებთ და შემდეგ ვჩერდებით, არასდროს ბრუნდება ჩვენსკენ. ეს არის შეუქცევადი პროცესების რამდენიმე მაგალითი, რომლებიც დაკავშირებულია ენერგიის ფორმის ცვლილებებთან და ენერგიის ერთი ობიექტიდან მეორეზე გადაცემასთან. ეს პროცესები მხოლოდ ერთი მიმართულებით ხდება, მაგრამ არასდროს საპირისპირო მიმართულებით. მანგო არასოდეს სრიალებს ზემოთ თავისით, რადგან მისი შინაგანი ენერგია კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება . წიგნი არასდროს სრიალებს ჩვენსკენ, რადგან ხახუნის შედეგად წარმოქმნილი სითბო კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება.

სამყაროში მიმდინარე შეუქცევადი პროცესები მხოლოდ ენერგიის ფორმებისა და ენერგიის გადაცემის ცვლილებებს არ უკავშირდება. დაბადების შემდეგ ჩვენ ვიზრდებით ჩვილებად, ბავშვებად, მოზარდებად, ზრდასრულებად, შემდეგ ვბერდებით, ვხრწნით და ბოლოს ვკვდებით 😉 ოდესმე გინახავთ მოხუცი ადამიანი ჩვილად გადაქცეული? არასდროს... ჩვენს მიერ გამოყენებული მობილური ტელეფონი დროთა განმავლობაში მკრთალი და დაზიანებული ხდება... ახალი მანქანა, რომელიც თავდაპირველად გლუვი და ძლიერი იყო, რამდენიმე წლის განმავლობაში გამოყენების შემდეგ ნაკლებად გლუვი და სუსტი ხდება. ოდესმე გინახავთ ძველი მანქანა, რომელიც მოულოდნელად ისევ ახალი ხდება? ან თქვენი საყვარელი მობილური ტელეფონი ყოველდღე უფრო გლუვი და უკეთესი ხდება? არასდროს... გამოყენების შემდეგ, მობილური ტელეფონი მკრთალი და დაზიანებული ხდება. მანქანები იგივეა... ეს არის შეუქცევადი პროცესების რამდენიმე მაგალითი, რომლებსაც არაფერი აქვთ საერთო ენერგიის ფორმებისა და ენერგიის გადაცემის ცვლილებებთან... ახლა, მას შემდეგ, რაც გავაცნობიერეთ, რომ სამყაროში მიმდინარე ყველა ბუნებრივი პროცესი შეუქცევადია, ენტროპიის კონცეფცია უფრო ფართო ხდება. განხილვა არა მხოლოდ თერმოდინამიკურ პროცესებს მოიცავს, არამედ სამყაროში არსებულ მრავალ სხვა შეუქცევად პროცესსაც მოიცავს.

ახლა მოდით განვიხილოთ რამდენიმე შეუქცევადი პროცესი, რომლებიც ყოველდღიურ ცხოვრებაში ხდება. პირველ რიგში, განვიხილოთ მარტივი შეუქცევადი პროცესი. ეს მხოლოდ შესავალია, რათა გაიგოთ ენტროპიის კონცეფცია და მისი კავშირი შეუქცევად პროცესებთან.

მაგალითად, დავუშვათ, რომ გაქვთ რამდენიმე წითელი და ლურჯი ბურთულა. ბურთულები კონტეინერშია მოთავსებული. ლურჯი ბურთულები ქვემოდან მოწესრიგებულადაა განლაგებული, ხოლო წითელი ბურთულები ზედა ნაწილში (მარცხენა სურათი). ბურთულების განლაგება კონტეინერში ძალიან მოწესრიგებულად გამოიყურება... ქვედა ნაწილი მთლიანად ლურჯია, ზედა კი - წითელი.

შემდეგ, თქვენ კონტეინერს ზევით-ქვევით ანხევთ ან აკანკალებთ. რადგან კონტეინერი ზევით-ქვევით მოძრაობს, ბურთულების განლაგება, რომელიც თავდაპირველად ძალიან რეგულარული იყო, ისევ არარეგულარული ხდება (მარჯვენა სურათი). წითელი და ლურჯი ბურთულები ერთმანეთში აირია 😉 რაც უფრო მეტად ანჯღრევთ, ბურთულების განლაგება უფრო არარეგულარული ხდება... შესაძლებელია თუ არა, რომ შენჯღრევის შემდეგ ბურთულების განლაგება ისეთივე რეგულარული გახდეს, როგორც ადრე? ეს შეუძლებელია... გთხოვთ, დაამტკიცოთ, თუ არ გჯერათ. შეუძლებელია ბურთულებისთვის ისეთივე რეგულარული გახდეს, როგორც ადრე... ეს შეუქცევადი პროცესის მაგალითია. შეუქცევადი პროცესის განცდის შემდეგ, ბურთულების განლაგება, რომელიც თავდაპირველად ძალიან რეგულარული იყო, შეიცვალა და არარეგულარული გახდა. რეგულარულობა შეიცვალა არარეგულარულად...

იგივე ხდება სხვა შეუქცევადი პროცესების დროსაც. როდესაც ვეხებით ცხელ და ცივ ობიექტს, სითბო ავტომატურად გადავა ცხელი ობიექტიდან ცივ ობიექტზე... სითბო წყვეტს ნაკადს მას შემდეგ, რაც შეხებაში მყოფი ორი ობიექტი ერთსა და იმავე ტემპერატურას მიაღწევს. ეს პროცესი შეუქცევადია... თავდაპირველად ჩვენ გვაქვს მოლეკულების ორი განლაგება, კერძოდ, მოლეკულები, რომლებსაც აქვთ დიდი საშუალო კინეტიკური ენერგია (მოლეკულები, რომლებიც ქმნიან ცხელ ობიექტს) და მოლეკულები, რომლებსაც აქვთ მცირე საშუალო კინეტიკური ენერგია (მოლეკულები, რომლებიც ქმნიან ცივ ობიექტს). მას შემდეგ, რაც ცხელი და ცივი ობიექტები მიაღწევენ ერთსა და იმავე ტემპერატურას (მოლეკულებს აქვთ იგივე საშუალო კინეტიკური ენერგია), ჩვენ აღარ შეგვიძლია განვასხვავოთ მოლეკულების ორი განლაგება. მოლეკულების განლაგება, რომელიც თავდაპირველად რეგულარული იყო, იცვლება არარეგულარული ხდება. ზემოთ მოცემული მარმარილოს განლაგების მსგავსად... მას შემდეგ, რაც ორი ობიექტი მიაღწევს ერთსა და იმავე ტემპერატურას, მოლეკულების რეგულარული განლაგება იცვლება არარეგულარულად (არარეგულარულობა იზრდება სითბოს შეუქცევადი გადაცემის გამო).

გარდა ამისა, სითბოს ნაკადი ცხელი ობიექტიდან ცივ ობიექტზე შეიძლება განვიხილოთ, როგორც სითბოს ნაკადი მაღალი ტემპერატურის რეგიონიდან დაბალი ტემპერატურის რეგიონში სითბური ძრავის შემთხვევაში. სითბოს ნაკადი მაღალი ტემპერატურის რეგიონიდან დაბალი ტემპერატურის რეგიონში სითბურ ძრავას საშუალებას აძლევს შეასრულოს სამუშაო. სითბურ ძრავას არ შეუძლია სამუშაოს შესრულება სითბური ნაკადის გარეშე. ამრიგად, შეგვიძლია დავადგინოთ კავშირი არეულობის ზომასა და სამუშაოს შესრულების უნარს შორის. იგივე ტემპერატურის მიღწევის შემდეგ, ცხელი ობიექტიდან ცივ ობიექტზე სითბოს ნაკადი აღარ არის (არეულობა იზრდება). რადგან სითბოს ნაკადის არარსებობა ხელს უშლის სითბურ ძრავას სამუშაოს შესრულებაში, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ სისტემას, რომელსაც არ შეუძლია სამუშაოს შესრულება, აქვს მაღალი არეულობა, ხოლო სისტემას, რომელსაც შეუძლია სამუშაოს შესრულება, აქვს დაბალი არეულობა...

ამ შედეგებიდან შეგვიძლია გამოვიტანოთ დასკვნები ენერგიის ფორმებსა და არეულობის საზომს შორის ურთიერთკავშირის შესახებ. ძირითადად, ენერგიის ის ფორმა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად, არის პოტენციური ენერგია. წყლის გრავიტაციული პოტენციური ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტურბინის გადასაადგილებლად. ნავთობში არსებული ქიმიური პოტენციური ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სატრანსპორტო საშუალების გადასაადგილებლად. ჩვენს სხეულში არსებული ქიმიური პოტენციური ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად, მოგზაურობისთვის, სწავლისთვის... მანგოს გრავიტაციული პოტენციური ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სახლის სახურავზე გაჟონვის შესაკეთებლად 😉 იმის გამო, რომ ენერგიის სასარგებლო ფორმები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ენერგიის სასარგებლო ფორმები უფრო მოწესრიგებულია, ხოლო უსარგებლო - უფრო არეული. უსარგებლო ენერგიის ფორმებია შინაგანი ენერგია და სითბო... მიწაზე დაცემის შემდეგ, მანგო აღარასდროს სრიალებს ზემოთ, რადგან შინაგანი ენერგია გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად...

წიგნის მიწოლის შემდეგ, წიგნი მოძრაობს. ხახუნის არსებობა წიგნს მოძრაობას აჩერებს... ამ შემთხვევაში, წიგნის კინეტიკური ენერგია სითბოდ გარდაიქმნება (სითბო ხახუნის გამო წარმოიქმნება). სინამდვილეში, წიგნი, რომელიც ისევ არსებობს, ჩვენსკენ უკან არ სრიალებს, რადგან სითბო კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება... ეს ორი მაგალითი აჩვენებს, რომ სითბო ენერგიის ორი უსარგებლო ფორმაა. ენერგიის უსარგებლო ფორმების გამოყენება სამუშაოს შესასრულებლად შეუძლებელია. ამრიგად, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ სითბო და შინაგანი ენერგია მაღალი არარეგულარობით ხასიათდება...

არსებითად, ენერგიის ფორმის შეცვლის პროცესი, ენერგიის სასარგებლო ფორმიდან უსარგებლო ფორმად, ყოველთვის ზრდის არეულობას... ჟარგონში, ენტროპია ყოველთვის იზრდება ენერგიის ფორმის შეცვლის პროცესში... რადგან ენტროპია ყოველთვის იზრდება დროთა განმავლობაში, ენერგიის ყველა სასარგებლო ფორმა უსარგებლო ფორმებად გარდაიქმნება. ენერგია ყოველთვის შენარჩუნდება ენერგიის ფორმის შეცვლის პროცესში, მაგრამ ენერგიის ის ფორმა, რომელიც მოწესრიგებულია და შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად, გადადის არარეგულარულ ფორმაში და არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად...

ენტროპია და სტატისტიკა

ადრე განვიხილეთ, რომ ენტროპია არეულობის საზომია. ყველა შეუქცევადი პროცესი არსებითად მაღალი არეულობის მდგომარეობამდე მივყავართ. ეს იდეა შეიძლება აბსტრაქტულად და გაუგებრად მოგეჩვენოთ. ენტროპიის კონცეფციის უკეთ გასაგებად, შეგვიძლია გამოვიყენოთ სტატისტიკური მიდგომა. ენტროპიის კონცეფციის გაგება სტატისტიკური მიდგომის გამოყენებით პირველად ლუდვიგ ბოლცმანმა (1844–1906) გამოიყენა.

ამ სტატიის დასაწყისში ახსნილი იყო, რომ ენტროპია არის სიდიდე, რომელიც აღწერს სისტემის მიკროსკოპულ მდგომარეობას. მაკროსკოპული მდგომარეობების აღმწერი სიდიდეები შეიძლება პირდაპირ იყოს ცნობილი, მაგრამ მიკროსკოპული მდგომარეობების აღმწერი სიდიდეები - არა. მიკროსკოპული მდგომარეობის გასაგებად, შეგვიძლია შევისწავლოთ მაკროსკოპულ და მიკროსკოპულ მდგომარეობებს შორის ურთიერთობა.

გაქვთ ასი რუპიის მონეტა? ას რუპიის მონეტას ორი მხარე აქვს: ერთ მხარეს გამოსახულია გარუდას ჩიტი, ხოლო მეორე მხარეს - სიტყვა „100 რუპია“. მაგალითად, თუ თქვენ გაქვთ ოთხასი რუპიის მონეტა... თუ ოთხასივე რუპიის მონეტას იატაკზე გადააგდებთ, ერთი სროლისას ხუთი განსხვავებული შედეგი იქნება:

პირველ რიგში, ჩნდება გარუდას ფრინველის ყველა სურათი (4 სურათი);

მეორედ, ჩნდება გარუდას ფრინველის 3 სურათი, ასი რუპიის 1 წარწერა (3 სურათი, 1 წარწერა);

მესამე, ჩნდება გარუდას ფრინველის 2 გამოსახულება, 2 სიტყვა ასი რუპია (2 გამოსახულება, 2 სიტყვა);

მეოთხე, ჩნდება გარუდას ჩიტის 1 გამოსახულება, ჩნდება 3 სიტყვა ასი რუპია (1 სურათი, 3 სიტყვა);

მეხუთე, ჩნდება სიტყვები ასი რუპია (4 სიტყვა)...

ამ ხუთ შესაძლო გამოსახულებას ან წარწერას მაკროსკოპულ მდგომარეობებს ვუწოდებთ (მაკრო = დიდი). პირიქით, თუ ოთხ მონეტას გამოსახულებად ან წარწერად წარმოვადგენთ, მიკროსკოპულ მდგომარეობებს ვაცხადებთ (მიკრო = პატარა).

ერთი სროლისას 16 შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობაა (თითოეულ მონეტას ორი შანსი აქვს. ოთხ მონეტას 16 შანსი აქვს = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16). ყველაზე დიდი ალბათობაა, რომ 2 სურათი და 2 წარწერა გამოჩნდეს (16 შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობიდან 6 შესაძლებელია - 6/16 x 100% = 37,5%). მეორეს მხრივ, ყველაზე მცირე ალბათობაა, რომ 4 სურათი ან 4 წარწერა გამოჩნდეს (თითოეულს 1 შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობა აქვს - 1/16 x 100% = 6,25%). აქ ჩვენ მხოლოდ შემთხვევითობას ან ალბათობას განვიხილავთ... თუ მონეტებს 16-ჯერ ვისროლებთ, არ არის დარწმუნებული, რომ 2 სურათი და 2 წარწერა 6-ჯერ გამოჩნდება. მაგრამ თუ მონეტებს ათასობითჯერ ვისროლებთ, 2 სურათის და 2 წარწერის გამოჩენის ალბათობა შეიძლება 37,5%-ს მიუახლოვდეს.

უმჯობესია დაამტკიცოთ... გთხოვთ, ოთხასი რუპიის მონეტა 100-ჯერ (1000-ჯერ თუ შეგიძლიათ 😉) ისროლოთ. ერთი სროლით მიღებული მონაცემები ჩაიწერეთ... მონეტების 100-ჯერ სროლის შემდეგ აღმოაჩენთ, რომ ყველაზე ხშირად 2 გამოსახულება და 2 წარწერა ჩნდება. რაც უფრო მეტია სროლის რაოდენობა, მით უფრო მეტია 2 გამოსახულების და 2 წარწერის მიღების ალბათობა სროლის საერთო რაოდენობის 37,5%-ს უახლოვდება.

ადრე მხოლოდ 4 მონეტას განვიხილავდით. თუ მონეტების რაოდენობას გავზრდით, მიკროსკოპული მდგომარეობების რაოდენობაც გაიზრდება. მაგალითად, გვაქვს 100 მონეტა... ერთი სროლისას 2 100 = 1,27 x 10 30 შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობაა... ყველაზე დიდი ალბათობაა, რომ გამოჩნდება 50 სურათი და 50 წარწერა (1,27 x 10 30 მიკროსკოპული მდგომარეობიდან შესაძლებელია 1,01 x 10 29 მიკროსკოპული მდგომარეობა). პირიქით, ყველაზე მცირე ალბათობაა, რომ გამოჩნდება 100 სურათი ან 100 წარწერა (თითოეულს აქვს მხოლოდ 1 შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობა 1,27 x 10 30 მიკროსკოპული მდგომარეობიდან). ძალიან მცირე და თითქმის შეუძლებელი... თუ გვაქვს 1000 მონეტა, 1000 სურათის ან 1000 წარწერის გამოჩენის ალბათობა, რა თქმა უნდა, კიდევ უფრო მცირე და სულ უფრო შეუძლებელი ხდება.

ენტროპიის კონცეფციასთან ამის დასაკავშირებლად, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ყველა სურათი ან მთელი ტექსტი მოწესრიგებულადაა განლაგებული, ხოლო სურათების ნახევარი და ტექსტის ნახევარი არარეგულარულ განლაგებაშია. რაც უფრო მეტია მონეტების რაოდენობა, მით უფრო მცირდება მოწესრიგებული განლაგების (ყველა სურათის ან მთელი ტექსტის) მიღების ალბათობა ან შანსი და ეს თითქმის შეუძლებელი ხდება. პირიქით, არარეგულარულ განლაგებას (სურათების ნახევარი და ტექსტის ნახევარი) გაცილებით დიდი ალბათობა ან შანსი აქვს. ამ შედეგიდან ჩანს, რომ არარეგულარულობა მჭიდრო კავშირშია ალბათობასთან. ყველაზე სავარაუდო მდგომარეობა არარეგულარული მდგომარეობაა, ხოლო ყველაზე ნაკლებად სავარაუდო მდგომარეობა - მოწესრიგებული მდგომარეობა.

თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგადი დებულება, რომელიც ადრე განვიხილეთ, ამბობს, რომ ენტროპია, ანუ უწესრიგობა, ყოველთვის იზრდება ყველა შეუქცევად პროცესში. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ეს დებულება შეიძლება გავიგოთ, როგორც ალბათობის დებულება. ეს ნიშნავს, რომ სამყაროში მიმდინარე ყველა პროცესი ყველაზე დიდი ალბათობით ან შესაძლებლობით ხასიათდება. თერმოდინამიკის მეორე კანონი არ კრძალავს ენტროპიის შემცირებას ყველა შეუქცევად პროცესში, მაგრამ ალბათობა ძალიან მცირეა, თითქმის შეუძლებელიც კი. პირიქით, ენტროპიის ზრდას გაცილებით დიდი ალბათობა აქვს. ჩვენ მიერ ადრე განხილული პენების რაოდენობა მხოლოდ 100 იყო... სინამდვილეში, ერთ მოლში 6,02 x 1023 მოლეკულაა ^... ეს ძალიან დიდი რიცხვია. ამ რიცხვის შესაძლო მიკროსკოპული მდგომარეობები, რა თქმა უნდა, ძალიან დიდია, ამიტომ წესრიგის ალბათობა ძალიან მცირეა, თითქმის შეუძლებელი...

თუ ჭიქას იატაკზე დავაგდებთ, იატაკზე მიმოფანტული მინის ნამსხვრევები შეიძლება ისევ შეგროვდეს და მთელი ჭიქა ჩამოყალიბდეს, როგორც ადრე. თუმცა, ამის შანსი იმდენად მცირეა, რომ შეუძლებელია... როდესაც მინა ჯერ კიდევ დაუზიანებელია, მოლეკულების პოზიცია უფრო მოწესრიგებულია. როდესაც მინა ვარდება მანამ, სანამ არ გატყდება და მინის ნამსხვრევები მიწაზე გაიფანტება, მოლეკულების პოზიცია არეული ხდება. მოწესრიგებულ პოზიციაში დაბრუნების შანსი იმდენად მცირეა, რომ მინის მოლეკულების ხელახლა შეკრების მოლოდინი შეუძლებელია. თუ ცხელ და ცივ ობიექტს შევეხებით, სითბო თავისით გადავა ცხელი ობიექტიდან ცივ ობიექტზე... ცხელ ობიექტებს აქვთ მოლეკულები, რომლებიც შემთხვევით და სწრაფად მოძრაობენ, მეორეს მხრივ, ცივი ობიექტების შემადგენელი მოლეკულების მოძრაობა არც ისე სწრაფია. ამ სწრაფად მოძრავი მოლეკულების ერთმანეთთან შეჯახების ან ცივ ობიექტზე გადაკვეთის შანსი გაცილებით მეტია, ვიდრე ნელა მოძრავი მოლეკულების შანსი... ვინც სწრაფია, ის იღებს 😉 სითბოს შეუძლია ცივი ობიექტიდან ცხელ ობიექტზე გადავიდეს, მაგრამ ამის შანსი გაცილებით მცირეა.

ზემოთ მოცემულ ილუსტრაციაზე გამოსახული ლურჯი და წითელი ბურთულები შესაძლოა დაუბრუნდნენ თავდაპირველ, რეგულარულ განლაგებას. თუმცა, მოწესრიგებულ განლაგებაში დაბრუნების შანსი გაცილებით მცირეა. უწესრიგო განლაგებას გაცილებით მეტი შანსი აქვს. ანალოგიურად, დახურულ კონტეინერში აირის თავისუფალი გაფართოების შემთხვევაშიც. კონტეინერს აქვს ორი კამერა, სადაც ორი კამერა გამოყოფილია ბარიერით. თავდაპირველად, აირი მარცხენა კამერაშია. როდესაც ბარიერი მოიხსნება, აირის მოლეკულები შეიკრიბებიან მარჯვენა კამერაში გადასასვლელად. მარჯვენა კამერა ცარიელია, ხოლო მარცხენა კამერა შეიცავს მოლეკულებს, რომლებიც შემთხვევით მოძრაობენ. როდესაც ბარიერი მოიხსნება, მოლეკულებს დიდი შანსი აქვთ, რომ ცარიელ კამერაში გადავიდნენ. მას შემდეგ, რაც მოლეკულები შეავსებენ ორკამერიანი კონტეინერის მთელ მოცულობას, შესაძლებელია თუ არა, რომ ყველა მოლეკულამ კვლავ შეავსოს მარცხენა კამერა? შესაძლებელია, მაგრამ ალბათობა ძალიან მცირეა. მხოლოდ ერთ მოლში არის 6,02 x 1023 ^{მოლეკულა} ... ალბათობა იმისა, რომ ყველა მოლეკულა მარცხენა კამერაშია, მილიონში 1 შესაძლებლობაა. მილიონში ერთი ძალიან მცირე შანსია და თითქმის შეუძლებელი...

თერმოდინამიკის მეორე კანონი გვეუბნება, რომ სამყაროში მიმდინარე ყველა პროცესი ყველაზე სავარაუდო პროცესია. ბუნებაში მიმდინარე პროცესის მიმართულება (უფრო მაღალი ენტროპიისკენ) განისაზღვრება შემთხვევითობით ან ალბათობით... არეულობას გაცილებით დიდი ალბათობა აქვს და შესაბამისად, უფრო სავარაუდოა, რომ მოხდეს...

ენტროპია = დროის ისარი

ენტროპიას ასევე დროის ისარს უწოდებენ, რადგან ის გვეუბნება დროის გავლის მიმართულებას. ყველა ბუნებრივი პროცესის მიმართულება არეულობისკენაა. თუ საპირისპიროს დავაკვირდებით, ანუ თავად არეულობას წესრიგად გარდაქმნის, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მოვლენა შებრუნებულია. თუ იატაკზე მიმოფანტულ მინის ფრაგმენტებს ისევ გროვდება და კვლავ მთლიან ჭიქას ქმნის, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მოვლენა შებრუნებულია. ეს არასდროს ხდება ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში და თუ ასე მოხდა, ეს თერმოდინამიკის მეორე კანონს დაარღვევს. ამ შემთხვევაში, დრო არასდროს მოძრაობს უკან და არეულობა არასდროს იცვლება ავტომატურად წესრიგად. ჩვენს ცხოვრებაში ყველაზე სავარაუდო და მუდმივი მოვლენაა ის, რომ წესრიგი ყოველთვის არეულობისკენ მიიწევს; დრო ყოველთვის წინ მიიწევს და არა უკან. თუ მოხუცი ადამიანი ჩვილად გადაიქცევა, ამას არანორმალურად და თერმოდინამიკის მეორე კანონის დარღვევად ჩავთვლით.