Entropijas jautājums
Iepriekšējā diskusijā mēs pētījām vairākus konkrētus termodinamikas otrā likuma apgalvojumus. Jāatzīmē, ka šie konkrētie apgalvojumi var izskaidrot tikai noteiktus neatgriezeniskus procesus. Klausiusa apgalvojums izskaidro tikai siltuma pārnesi un tās saistību ar ledusskapja darbības principu. Kelvina un Planka apgalvojumi attiecas uz ledusskapja darbības principu. siltumdzinējsBūtībā šie divi apgalvojumi attiecas uz siltuma pārnesi. Ir daudz citu neatgriezenisku procesu, kurus nevar izskaidrot, izmantojot šos divus apgalvojumus.
Termodinamikas otrā likuma specifiskais apgalvojums nevar izskaidrot visus neatgriezeniskos procesus, tāpēc mums ir nepieciešams vispārīgāks apgalvojums. Šim vispārīgajam apgalvojumam ir jāizskaidro visi neatgriezeniskie procesi, kas notiek Visumā. Termodinamikas otrā likuma vispārīgais apgalvojums tika formulēts tikai deviņpadsmitā gadsimta vidū, izmantojot lielumu, ko sauc par entropiju (S). Entropiju var uzskatīt par nesakārtotības mēru. Entropijas lielumu pirmo reizi ieviesa Klausijs, un tas tika atvasināts no Karno cikla (ideāla siltuma dzinēja). Saskaņā ar Klausija teikto, entropijas izmaiņu lielumu, ko piedzīvo sistēma, kad tā saņem papildu siltumu (Q) pie nemainīgas temperatūras, izsaka ar šādu vienādojumu:
Entropija ir lielums, kas raksturo sistēmas mikroskopisko stāvokli, un tāpēc to nevar tieši izmērīt. Mēs pārbaudām tikai entropijas izmaiņas. Līdzīgi kā enerģijas izmaiņas sistēmā. termodinamikas pirmais likums.
1. jautājuma piemērs:
Gāzes daudzums traukā izplešas adiabātiski. Kāda ir gāzes entropijas izmaiņa?
Diskusija
Adiabātiskā procesa laikā nav nekāda karstums kas ieplūst sistēmā vai izplūst no tās (gāze). Tā kā Q = 0, tad ΔS = 0. Sistēmas entropija nemainās, t.i., ir konstanta. Kā ir ar adiabātisko saspiešanu? Tā būtībā ir tāda pati. Adiabātiskās saspiešanas laikā sistēmā neieplūst un no tās neizplūst siltums (Q = 0). Tāpēc sistēmas entropija ir konstanta.
2. jautājuma piemērs:
Karno dzinējs 500 K temperatūrā saņem 2000 J siltuma, veic darbu un 350 K temperatūrā atdod noteiktu siltuma daudzumu. Nosakiet atdotā siltuma daudzumu un kopējo entropijas izmaiņu dzinējā viena cikla laikā.
Diskusija
Ja sistēma saņem siltumu, Q ir pozitīvs, ja sistēma izdala siltumu, Q ir negatīvs. Šajā gadījumā sistēma ir Karno dzinējs.
Viena cikla laikā Karno dzinējs piedzīvo divus atgriezeniskus izotermiskus procesus (izotermāla izplešanās + izotermiska saspiešana) un divus atgriezeniskus adiabātiskus procesus (adiabātiskā izplešanās un adiabātiskā saspiešana). Adiabātiskās izplešanās un saspiešanas procesu laikā sistēmā neieplūst un no tās neizplūst siltums (Q = 0). Tā kā Q = 0, entropijas izmaiņas adiabātiskā procesa laikā ir 0.
Izotermiskās izplešanās laikā dzinējs absorbē 2000 J siltuma (Q) 500 K temperatūrā (T). Tā kā dzinējs absorbē siltumu, Q ir pozitīvs. Dzinēja entropijas izmaiņas izotermiskās izplešanās laikā ir:
Izotermiskās saspiešanas laikā dzinējs 350 K temperatūrā (T) atdod 1400 J siltuma (Q). Tā kā dzinējs atdod siltumu, Q ir negatīva zīme. Dzinēja entropijas izmaiņas izotermiskās saspiešanas laikā ir:
Kopējās entropijas izmaiņas = 4 J/K - 4 J/K = 0
3. jautājuma piemērs:
Siltuma dzinējs saņem 600 džoulu siltuma (Q) 300 grādu temperatūrā. oC, veicot darbu un atbrīvojot noteiktu siltuma daudzumu 100 temperatūrā oC. Nosakiet atdalītā siltuma daudzumu un kopējās entropijas izmaiņas dzinējā viena cikla laikā…
Diskusija
TH = 300 K
QH = 600 J
TL = 100 K
QL =?
Viena cikla laikā Karno dzinējs piedzīvo divus atgriezeniskus izotermiskus procesus (izotermāla izplešanās + izotermiska saspiešana) un divus atgriezeniskus adiabātiskus procesus (adiabātiskā izplešanās un adiabātiskā saspiešana). Adiabātiskās izplešanās un saspiešanas procesu laikā sistēmā neieplūst un no tās neizplūst siltums (Q = 0). Tā kā Q = 0, entropijas izmaiņas adiabātiskā procesa laikā ir 0.
Izotermiskās izplešanās laikā dzinējs absorbē 600 J siltuma (Q) 300 K temperatūrā (T). Tā kā dzinējs absorbē siltumu, Q ir pozitīvs. Dzinēja entropijas izmaiņas izotermiskās izplešanās laikā ir:
Izotermiskās saspiešanas laikā dzinējs 100 K temperatūrā (T) atdod 200 J siltuma (Q). Tā kā dzinējs atdod siltumu, Q ir negatīva zīme. Dzinēja entropijas izmaiņas izotermiskās saspiešanas laikā ir:
Kopējās entropijas izmaiņas = 2 J/K - 2 J/K = 0
No 2. un 3. jautājuma piemēra izriet, ka kopējā entropijas izmaiņa atgriezeniskā procesā = 0. Citiem vārdiem sakot, atgriezeniskā procesā kopējā entropija vienmēr ir konstanta.
4. jautājuma piemērs:
2 kg ledus kubiņa temperatūra ir 0 oC. Ledus gabaliņus ievieto traukā un žāvē saulē. Tā kā tie saņem papildu siltumu no gaisa un saules, ledus kūst. Nosakiet ledus entropijas izmaiņas. (Ūdens kušanas siltums = 3,34 x 105 J/kg)
Diskusija
Ledus masa = 2 kg
Ledus temperatūra = 0 oC + 273 = 273 K
Ūdens kušanas siltums = 3,34 x 10 5 J/kg
Siltums, kas nepieciešams, lai izkausētu 2 kg ledus ūdenī:
Q = ml
Q = (2 kg)(3,34 x 105 J/kg)
Q = 6,68 x 105 J
Q = 668 x 103 J
Kušanas procesā (ledus pārvēršanās ūdenī) temperatūra ir nemainīga. Tā kā temperatūra ir nemainīga, tiek aprēķināta ledus entropijas izmaiņa.
5. jautājuma piemērs:
Glāze ūdens 26 grādu temperatūrā oC sajaucot ar glāzi ūdens 22 °C temperatūrā oC. Ja ūdens masa glāzē = 2 kg, nosakiet ūdens entropijas izmaiņas. Pieņemsim, ka karsts ūdens un auksts ūdens ir sajaukti slēgtā, labi izolētā traukā. Siltuma pārnešana ir neatgriezenisks process.
Diskusija
Ūdens īpatnējais siltums (c) = 4180 J/kg Co
Ūdens masa = 2 kg (tā pati ūdens masa).
Tā kā ūdens masa ir vienāda, maisījuma galīgā temperatūra = 24 oC (26 oC + 22 oC / 2 = 48 oC / 2 = 24 oC).
Siltuma daudzums, ko izdala karstais ūdens, kad tā temperatūra pazeminās no 26 oC - 24 oC:
Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg Co)(26 oC - 24 oC) = (2 kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
Siltuma daudzums, ko absorbē auksts ūdens, kad tā temperatūra paaugstinās no 22 °C līdz 24 °C:
Q = mc ΔT = (2 kg)(4180 J/kg Co)(24 oC - 22 oC) = (2 kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
Kopējās entropijas izmaiņas = karstā ūdens entropijas izmaiņas + aukstā ūdens entropijas izmaiņas
Karstā ūdens vidējā temperatūra = (26 oC + 24 oC) / 2 = 50 oC / 2 = 25 oC ‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 K
Aukstā ūdens vidējā temperatūra = (22 oC + 24 oC) / 2 = 46 oC / 2 = 23 oC ‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 K
Karstais ūdens atbrīvo siltumu, tāpēc Q ir negatīvs. Savukārt aukstais ūdens absorbē siltumu, tāpēc Q ir pozitīvs. Atcerieties Q zīmes konvenciju (termodinamikas pirmais likums).
ΔS Kopā = ΔS karstais ūdens + ΔS aukstais ūdens
Δ S kopā = ‐ 56 107 J/K + 56 486 J/K
ΔS Kopā = 0,379 J/K
Kopējā entropija palielinās par 0,379 J/K
Lai gan dažu sistēmas daļu entropija samazinās (‐56,107 J/K), dažu sistēmas daļu entropija palielinās par lielāku daudzumu (+ 56,486 J/K), tāpēc kopējā entropija vienmēr palielinās (+ 0,379 J/K).
Kopējās entropijas pieaugums neatgriezeniskā procesā attiecas ne tikai uz siltuma pārnesi starp karstā un aukstā ūdens maisījumu, ko analizējām iepriekš, bet arī uz visiem zinātnieku pētītajiem gadījumiem. Kopējā entropija vienmēr paliek nemainīga, ja process ir atgriezenisks. Ja process ir neatgriezenisks, kopējā entropija vienmēr palielinās.
Būtībā visi dabiskie procesi mūsu ikdienas dzīvē ir neatgriezeniski, tāpēc kopējā entropija neizbēgami palielinās. Šis fakts ir apkopots šādā rindā:
Neatgriezeniskā procesā sistēmas un apkārtējās vides kopējā entropija vienmēr palielinās.
Šis slīprakstā izceltais teikums ir vispārīgs otrā termodinamikas likuma izklāsts. Otrais termodinamikas likums nedaudz atšķiras no citiem fizikas likumiem. Parasti fizikas likumus izsaka kā vienādojumus (piemēram, Ņūtona likumi) vai kā nezūdamības likumus (piemēram, enerģijas nezūdamības likums).
Entropija ir nesakārtotības mērs
Entropiju var uzskatīt par nesakārtotības mēru. Saistībā ar termodinamikas otrā likuma vispārīgo apgalvojumu, nesakārtotībai ir tendence pieaugt neatgriezeniskos procesos. Citiem vārdiem sakot, katrs neatgriezenisks process būtībā noved pie nesakārtotības stāvokļa. Nesakārtotības nozīme šeit var nebūt skaidra, tāpēc tā tiks skaidrota, izmantojot neatgriezenisku procesu piemērus, kas notiek ikdienas dzīvē.
Ir svarīgi atzīmēt, ka entropijas jēdziens sākotnēji tika saistīts tikai ar neatgriezeniskiem procesiem, kas saistīti ar enerģijas formas izmaiņām un enerģijas pārnesi. Pēc atbrīvošanas no kāta un brīvas krišanas, līdz tas atsitas pret zemi, mango nekad neslīd uz augšu. Grāmata, kuru mēs pastumjam un pēc tam apstājamies, nekad neatgriežas mūsu virzienā. Šie ir daži neatgriezenisku procesu piemēri, kas saistīti ar enerģijas formas izmaiņām un enerģijas pārnesi no viena objekta uz citu. Šie procesi notiek tikai vienā virzienā, bet nekad pretējā virzienā. Mango nekad neslīd uz augšu pats par sevi, jo iekšējā enerģija pārveidots par kinētiskā enerģijaGrāmata nekad neslīd mūsu virzienā, jo berzes radītais siltums tiek pārvērsts kinētiskajā enerģijā.
Neatgriezeniski procesi, kas notiek Visumā, nav saistīti tikai ar enerģijas formu izmaiņām un enerģijas pārnesi. Pēc piedzimšanas mēs izaugam par zīdaiņiem, bērniem, pusaudžiem, pieaugušajiem, tad kļūstam veci un sabrukuši un visbeidzot mirstam 😉 Vai esat kādreiz redzējuši vecu cilvēku pārvēršamies par mazuli? Nekad… Mobilais telefons, ko lietojam, laika gaitā kļūst blāvs un bojāts… Jauna automašīna, kas sākotnēji bija vienmērīga un jaudīga, pēc dažiem gadiem kļūst mazāk vienmērīga un vāja. Vai esat kādreiz redzējuši vecu automašīnu, kas pēkšņi atkal kļūst jauna? Vai jūsu iecienītākais mobilais telefons katru dienu kļūst vienmērīgāks un labāks? Nekad… Pēc lietošanas mobilais telefons kļūst blāvs un bojāts. Ar automašīnām ir tāpat… Šie ir daži neatgriezenisku procesu piemēri, kuriem nav nekāda sakara ar enerģijas formu izmaiņām un enerģijas pārnesi…. Tagad, saprotot, ka visi dabiskie procesi, kas notiek Visumā, ir neatgriezeniski, entropijas jēdziens kļūst plašāks. Diskusija aptver ne tikai termodinamiskos procesus, bet arī daudzus citus neatgriezeniskus procesus Visumā.
Tagad apspriedīsim dažus neatgriezeniskus procesus, kas notiek ikdienas dzīvē. Vispirms aplūkosim vienkāršu neatgriezenisku procesu. Šis ir tikai ievads, lai jūs saprastu entropijas jēdzienu un tā saistību ar neatgriezeniskiem procesiem.
Piemēram, pieņemsim, ka jums ir vairākas sarkanas un zilas bumbiņas. Bumbiņas ir ievietotas traukā. Zilās bumbiņas ir kārtīgi sakārtotas apakšā, bet sarkanās bumbiņas ir kārtīgi sakārtotas augšpusē (attēls kreisajā pusē). Jūsu bumbiņu izkārtojums traukā izskatās ļoti sakārtots… Apakšdaļa ir pilnībā zila, augšdaļa ir pilnībā sarkana.
Pēc tam jūs sakratāt vai kratāt trauku uz augšu un uz leju. Tā kā trauks tiek kustināts uz augšu un uz leju, bumbiņu izvietojums, kas sākotnēji bija ļoti regulārs, mainās un atkal kļūst neregulārs (attēls labajā pusē). Sarkanās un zilās bumbiņas sajaucas kopā 😉 Jo vairāk jūs to kratāt, bumbiņu izvietojums kļūst neregulārāks… Vai ir iespējams, ka pēc sakratīšanas bumbiņu izvietojums kļūst regulārs kā iepriekš? Tas nav iespējams… Lūdzu, pierādiet to, ja neticat. Nav iespējams, ka bumbiņas kļūtu regulāras kā iepriekš… Šis ir neatgriezeniska procesa piemērs. Pēc neatgriezeniska procesa piedzīvošanas bumbiņu izvietojums, kas sākotnēji bija ļoti regulārs, mainās un kļūst neregulārs. Regularitāte ir mainījusies par neregularitāti…
Tas pats notiek arī citos neatgriezeniskos procesos. Kad mēs pieskaramies karstam objektam un aukstam objektam, siltums automātiski plūst no karstā objekta uz auksto objektu… Siltuma plūsma pārstāj plūst, kad abi saskarē esošie objekti sasniedz vienādu temperatūru. Šis process ir neatgriezenisks… Nu, sākotnēji mums ir divi molekulu izkārtojumi, proti, molekulas ar lielu vidējo kinētisko enerģiju (molekulas, kas veido karsto objektu) un molekulas ar mazu vidējo kinētisko enerģiju (molekulas, kas veido auksto objektu). Pēc tam, kad karstais objekts un aukstais objekts sasniedz vienādu temperatūru (molekulām ir vienāda vidējā kinētiskā enerģija), mēs vairs nevaram atšķirt šos divus molekulu izkārtojumus. Molekulu izkārtojums, kas sākotnēji bija regulārs, mainās uz neregulāru. Līdzīgi kā iepriekš minētais marmora bumbiņu izkārtojums… Pēc tam, kad abi objekti sasniedz vienādu temperatūru, molekulu regulārais izkārtojums mainās uz neregulāru (neregularitāte palielinās neatgriezeniskas siltuma pārneses dēļ).
Turklāt siltuma plūsmu no karsta objekta uz aukstu objektu var uzskatīt par siltuma plūsmu no augstas temperatūras apgabala uz zemas temperatūras apgabalu siltumdzinējā. Siltuma plūsma no augstas temperatūras apgabala uz zemas temperatūras apgabalu ļauj siltumdzinējam veikt darbu. Siltuma dzinējs nevar veikt darbu bez siltuma plūsmas. Tādējādi mēs varam noteikt sakarību starp nesakārtotības lielumu un spēju veikt darbu. Pēc tādas pašas temperatūras sasniegšanas vairs nav siltuma plūsmas no karstā objekta uz auksto objektu (sakārtotība palielinās). Tā kā siltuma plūsmas neesamība neļauj siltumdzinējam veikt darbu, mēs varam teikt, ka sistēmai, kas nevar veikt darbu, ir augsta nesakārtotība, savukārt sistēmai, kas var veikt darbu, ir zema nesakārtotība…
No šiem rezultātiem mēs varam izdarīt secinājumus par enerģijas formu un nesakārtotības mēra savstarpējo saistību. Būtībā enerģijas forma, ko var izmantot darba veikšanai, ir potenciālā enerģija. Ūdens gravitācijas potenciālo enerģiju var izmantot, lai pārvietotu turbīnu. Eļļas ķīmisko potenciālo enerģiju var izmantot, lai pārvietotu transportlīdzekli. Mūsu ķermeņa ķīmisko potenciālo enerģiju var izmantot darba veikšanai, ceļošanai, mācībām… Mango gravitācijas potenciālo enerģiju var izmantot, lai salabotu noplūdi mājas jumtā 😉 Tā kā lietderīgās enerģijas formas var izmantot darba veikšanai, mēs varam teikt, ka lietderīgās enerģijas formas ir sakārtotākas, savukārt nelietderīgās enerģijas formas ir nesakārtotākas. Nederīgās enerģijas formas ir iekšējā enerģija un siltums… Pēc notriekšanas zemē mango nekad vairs neslīd uz augšu, jo iekšējā enerģija tiek pārveidota kinētiskajā enerģijā…
Pēc tam, kad mēs pastumjam grāmatu, tā kustas. Berzes klātbūtne aptur grāmatas kustību… Šajā gadījumā grāmatas kinētiskā enerģija ir pārvērtusies siltumā (siltums rodas berzes dēļ). Patiesībā grāmata, kas joprojām atrodas, neslīd atpakaļ mūsu virzienā, jo siltums ir pārvērties kinētiskajā enerģijā… Šie divi piemēri parāda, ka siltums ir divas bezjēdzīgas enerģijas formas. Bezjēdzīgas enerģijas formas nevar izmantot darba veikšanai. Tādējādi mēs varam teikt, ka siltumam un iekšējai enerģijai ir augsta nevienmērība…
Būtībā enerģijas formas maiņas process no noderīgas enerģijas formas uz nelietderīgu enerģijas formu vienmēr palielina nekārtību… Slengu valodā entropija vienmēr palielinās enerģijas formas maiņas procesā… Tā kā entropija vienmēr palielinās līdz ar laika gaitu, visas derīgās enerģijas formas pāries nelietderīgās formās. Enerģijas formas maiņas procesā enerģija vienmēr tiks saglabāta, bet enerģijas forma, kas ir sakārtota un ko var izmantot darba veikšanai, pāriet neregulārā formā un to nevar izmantot darba veikšanai…
Entropija un statistika
Iepriekš mēs apspriedām, ka entropija ir nesakārtotības mērs. Katrs neatgriezenisks process būtībā noved pie augsta nesakārtotības stāvokļa. Šī ideja var šķist abstrakta un neskaidra. Lai labāk izprastu entropijas jēdzienu, mēs varam izmantot statistisko pieeju. Entropijas jēdziena izpratni, izmantojot statistisko pieeju, pirmo reizi izmantoja Ludvigs Bolcmans (1844–1906).
Šī raksta sākumā tika paskaidrots, ka entropija ir lielums, kas raksturo sistēmas mikroskopisko stāvokli. Lielumus, kas raksturo makroskopiskos stāvokļus, var tieši zināt, bet lielumus, kas apraksta mikroskopiskos stāvokļus, nevar. Lai izprastu mikroskopisko stāvokli, mēs varam izpētīt saistību starp makroskopiskajiem un mikroskopiskajiem stāvokļiem.
Vai jums ir simts rūpiju monēta? Simts rūpiju monētai ir divas puses: vienā pusē ir attēlots Garudas putns, bet otrā pusē ir attēlots vārds 100 rūpijas. Piemēram, ja jums ir četri simti rūpiju monētu... ja jūs visas četri simti rūpiju monētas nometīsiet uz grīdas, vienā metienā būs pieci dažādi rezultāti:
Vispirms parādās visi Garudas putna attēli (4 attēli);
Otrkārt, parādās 3 Garudas putna attēli, 1 uzraksts par simts rūpijām (3 attēli, 1 uzraksts);
Treškārt, parādās 2 Garudas putna attēli, 2 vārdi simts rūpijas (2 attēli, 2 vārdi);
Ceturtkārt, parādās 1 Garudas putna attēls, 3 vārdi simts rūpiju (1 attēls, 3 vārdi);
Piektkārt, parādās vārdi simts rūpijas (4 vārdi)…
Šos piecus iespējamos attēlus vai rakstus mēs saucam par makroskopiskiem stāvokļiem (makro = liels). Un otrādi, ja mēs attēlojam četras monētas kā attēlus vai rakstus, mēs norādām uz mikroskopiskiem stāvokļiem (mikro = mazs).
Vienā metienā ir 16 iespējami mikroskopiski stāvokļi (katrai monētai ir divas iespējas. Četrām monētām ir 16 iespējas = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16). Vislielākā varbūtība ir, ka parādīsies 2 attēli un 2 uzraksti (no kopumā 16 mikroskopiskiem stāvokļiem ir 6 iespējami mikroskopiski stāvokļi - 6/16 x 100% = 37,5%). Savukārt mazākā varbūtība ir, ka parādīsies 4 attēli vai 4 uzraksti (katram ir 1 iespējamais mikroskopiskais stāvoklis - 1/16 x 100% = 6,25%). Šeit mēs apspriežam tikai iespēju vai varbūtību... Ja mēs metam monētas 16 reizes, nav droši, ka 2 attēli un 2 uzraksti parādīsies 6 reizes. Bet, ja mēs metam monētas tūkstošiem reižu, 2 attēlu un 2 uzrakstu parādīšanās varbūtība var sasniegt 37,5%.
Labāk to pierādīt... Lūdzu, met četrsimt rūpiju monētas 100 reizes (1000 reizes, ja vari 😉). Pieraksti datus, kas iegūti vienā metienā... Pēc monētu mešanas 100 reizes tu atklāsi, ka visbiežāk parādās 2 attēli un 2 uzraksti. Jo lielāks metienu skaits, jo lielāka varbūtība iegūt 2 attēlus un 2 uzrakstus tuvojas 37,5% no kopējā metienu skaita.
Iepriekš mēs aplūkojām tikai 4 monētas. Ja mēs palielinām monētu skaitu, tad palielinās mikroskopisko stāvokļu skaits. Piemēram, mums ir 100 monētas… Vienā metienā ir 2 x 100 = 1,27 x 1030 iespējamie mikroskopiskie stāvokļi… Vislielākā varbūtība ir, ka parādīsies 50 attēli un 50 uzraksti (no kopā 1,27 x 1030 iespējamie mikroskopiskie stāvokļi ir 1,01 x 1030). Turpretī mazākā varbūtība ir, ka parādīsies 100 attēli vai 100 uzraksti (katram ir tikai 1 iespējamais mikroskopiskais stāvoklis no kopā 1,27 x 1030 mikroskopiskajiem stāvokļiem). Ļoti maza un gandrīz neiespējama… Ja mums ir 1000 monētas, 1000 attēlu vai 1000 uzrakstu parādīšanās varbūtība, protams, ir vēl mazāka un arvien neiespējamāka.
Lai to saistītu ar entropijas jēdzienu, mēs varam pieņemt, ka visi attēli vai viss teksts ir sakārtotā izkārtojumā, savukārt puse attēlu un puse teksta ir neregulārā izkārtojumā. Jo lielāks monētu skaits, jo mazāka kļūst varbūtība vai iespēja iegūt sakārtotu izkārtojumu (visus attēlus vai visu tekstu), un tas kļūst gandrīz neiespējami. Un otrādi, neregulāram izkārtojumam (puse attēlu un puse teksta) ir daudz lielāka varbūtība vai iespēja. No šī rezultāta izriet, ka neregularitāte ir cieši saistīta ar varbūtību. Visticamākais stāvoklis ir neregulārs stāvoklis, savukārt vismazāk ticamais stāvoklis ir sakārtots stāvoklis.
Termodinamikas otrā likuma vispārīgais apgalvojums, ko mēs apspriedām iepriekš, nosaka, ka entropija jeb nesakārtotība vienmēr palielinās katrā neatgriezeniskā procesā. Šo termodinamikas otrā likuma apgalvojumu var saprast kā varbūtības apgalvojumu. Tas nozīmē, ka katrs Visumā notiekošais process ir process ar vislielāko varbūtību vai iespēju. Termodinamikas otrais likums neaizliedz entropijas samazināšanos katrā neatgriezeniskā procesā, taču varbūtība ir ļoti maza, gandrīz neiespējama. Turpretī entropijas pieaugumam ir daudz lielāka varbūtība. Iepriekš pārbaudītais peniju skaits bija tikai 100… patiesībā ir 6,02 x 1023 molekulas… tas ir ļoti liels skaitlis. Šī skaitļa iespējamie mikroskopiskie stāvokļi, protams, ir ļoti lieli, tāpēc jebkurai kārtai ir ļoti maza, gandrīz neiespējama, iespēja…
Ja mēs nometam glāzi uz grīdas, uz grīdas izkaisītie stikla lauskas varētu atkal sapulcēties un veidot veselu glāzi kā iepriekš. Taču šāda iespējamība ir tik maza, ka tas nav iespējams… kad stikls joprojām ir neskarts, molekulu izvietojums ir sakārtotāks. Kad stikls krīt, līdz tas saplīst, un stikla lauskas izkaisās pa zemi, molekulu izvietojums kļūst nesakārtots. Iespēja atgriezties sakārtotā pozīcijā ir tik maza, ka nav iespējams sagaidīt, ka stikla molekulas atkal sapulcēsies. Ja mēs pieskaramies karstam objektam un aukstam objektam, siltums pats no sevis plūdīs no karstā objekta uz auksto objektu… karstajiem objektiem ir molekulas, kas pārvietojas nejauši un ātri, savukārt molekulu, kas veido aukstus objektus, kustība nav īpaši ātra. Iespēja, ka šīs ātri kustīgās molekulas saduras viena ar otru vai šķērso auksto objektu, ir daudz lielāka nekā iespēja, ka molekulas pārvietojas lēni… kas ir ātrs, tas to saprot 😉 siltums var pārvietoties no auksta objekta uz karstu objektu, bet iespēja, ka tas notiks, ir daudz mazāka.
Iepriekš redzamajā ilustrācijā zilās un sarkanās bumbiņas varētu atgriezties savā sākotnējā, regulārajā izkārtojumā. Taču iespēja atgriezties sakārtotā izkārtojumā ir daudz mazāka. Nesakārtotam izkārtojumam ir daudz lielāka iespēja. Tāpat arī brīvā izplešanās, ko piedzīvo gāze slēgtā traukā. Traukam ir divas kameras, kuras atdala barjera. Sākotnēji gāze atrodas kreisajā kamerā. Kad barjera tiek noņemta, gāzes molekulas plūst uz labo kameru. Labā kamera ir tukša, savukārt kreisajā kamerā ir molekulas, kas pārvietojas nejauši. Kad barjera tiek noņemta, molekulām ir liela iespēja iekļūt tukšajā kamerā. Pēc tam, kad molekulas ir aizpildījušas visu trauka, kurā ir divas kameras, tilpumu, vai ir iespējams, ka visas molekulas atkal piepildīs kreiso kameru? Tas ir iespējams, bet varbūtība ir ļoti maza. Vienā molā ir 6,02 x 1023 molekulas… varbūtība, ka visas molekulas atrodas kreisajā telpā, ir 1 no miljona. Viena no miljona ir ļoti maza un gandrīz neiespējama varbūtība…
Termodinamikas otrais likums nosaka, ka katrs Visumā notiekošais process ir visticamākais process. Virzienu, kādā dabā notiek process (uz augstāku entropiju), nosaka nejaušība vai varbūtība… nesakārtotībai ir daudz lielāka varbūtība, un tāpēc tā, visticamāk, arī rasies…
Entropija = laika bulta
Entropiju sauc arī par laika bultu, jo tā norāda laika ritējuma virzienu. Katra dabiskā procesa virziens ir pretēji – nesakārtotība. Ja novērojam pretējo, tas ir, pašas nesakārtotības pārvēršanos kārtībā, varam teikt, ka notikums ir apgriezts. Ja redzam uz grīdas izkaisītus stikla lauskas, kas atkal sapulcējas un atkal veido veselu glāzi, varam teikt, ka notikums ir apgriezts. Tas nekad nenotiek mūsu ikdienas dzīvē, un, ja tā notiktu, tas pārkāptu termodinamikas otro likumu. Šajā gadījumā laiks nekad nevirzās atpakaļ, un nesakārtotība nekad automātiski nemainās kārtībā. Visticamākā un pastāvīgākā parādība mūsu dzīvē ir tā, ka kārtība vienmēr virzās uz nesakārtotību; laiks vienmēr virzās uz priekšu, nevis atpakaļ. Ja vecs cilvēks pārvēršas par zīdaini, mēs to uzskatītu par neparastu un termodinamikas otrā likuma pārkāpumu.
