Entropia

Entropia Materia

W poprzedniej dyskusji przeanalizowaliśmy kilka szczegółowych stwierdzeń drugiej zasady termodynamiki. Należy zauważyć, że te szczegółowe stwierdzenia mogą wyjaśnić jedynie pewne procesy nieodwracalne. Stwierdzenie Clausiusa wyjaśnia jedynie wymianę ciepła i jego związek z zasadą działania lodówki. Stwierdzenia Kelvina i Plancka odnoszą się do zasady działania lodówki. silnik cieplnyZasadniczo te dwa stwierdzenia odnoszą się do wymiany ciepła. Istnieje wiele innych nieodwracalnych procesów, których nie da się wyjaśnić za pomocą tych dwóch stwierdzeń.

Konkretne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki nie może wyjaśnić wszystkich procesów nieodwracalnych, dlatego potrzebujemy sformułowania bardziej ogólnego. Oczekuje się, że to ogólne sformułowanie wyjaśni wszystkie nieodwracalne procesy zachodzące we wszechświecie. Ogólne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki zostało sformułowane dopiero w połowie XIX wieku, za pomocą wielkości zwanej entropią (S). Entropię można traktować jako miarę nieuporządkowania. Wielkość entropii została po raz pierwszy wprowadzona przez Clausiusa i wyprowadzona z cyklu Carnota (idealnego silnika cieplnego). Według Clausiusa, wielkość zmiany entropii, której doświadcza układ, gdy otrzymuje on dodatkowe ciepło (Q) przy stałej temperaturze, wyraża się równaniem:

Entropia to wielkość opisująca mikroskopijny stan układu, a zatem nie można jej bezpośrednio zmierzyć. Badamy jedynie zmianę entropii. Podobnie jak w przypadku zmiany energii w układzie. pierwsza zasada termodynamiki.

Przykładowe pytanie 1:

Pewna ilość gazu w zbiorniku ulega adiabatycznemu rozprężaniu. Jaka jest zmiana entropii gazu?

Pembahasan

W procesie adiabatycznym nie ma kalor który wchodzi do układu lub go opuszcza (gaz). Ponieważ Q = 0, wówczas ΔS = 0. Entropia układu nie zmienia się, czyli jest stała. A co ze sprężaniem adiabatycznym? Jest zasadniczo taka sama. Podczas sprężania adiabatycznego ciepło nie dostaje się do układu ani go nie opuszcza (Q = 0). Zatem entropia układu jest stała.

Przykładowe pytanie 2:

Silnik Carnota otrzymuje 2000 J ciepła w temperaturze 500 K, wykonuje pracę i oddaje pewną ilość ciepła w temperaturze 350 K. Określ ilość oddawanego ciepła i całkowitą zmianę entropii w silniku podczas jednego cyklu.

Pembahasan

Jeśli układ pobiera ciepło, Q jest dodatnie, a jeśli oddaje ciepło, Q jest ujemne. W tym przypadku układem jest silnik Carnota.

W jednym cyklu silnik Carnota przechodzi przez dwa odwracalne procesy izotermiczne (rozprężanie izotermiczne + sprężanie izotermiczne) oraz dwa odwracalne procesy adiabatyczne (rozprężanie i sprężanie adiabatyczne). Podczas procesów rozprężania i sprężania adiabatycznego ciepło nie dostaje się do układu ani go nie opuszcza (Q = 0). Ponieważ Q = 0, zmiana entropii podczas procesu adiabatycznego wynosi 0.

Podczas rozprężania izotermicznego silnik pochłania 2000 J ciepła (Q) w temperaturze (T) 500 K. Ponieważ silnik pochłania ciepło, Q jest dodatnie. Zmiana entropii silnika podczas rozprężania izotermicznego wynosi:

Podczas sprężania izotermicznego silnik oddaje 1400 J ciepła (Q) w temperaturze (T) 350 K. Ponieważ silnik oddaje ciepło, Q ma znak ujemny. Zmiana entropii silnika podczas sprężania izotermicznego wynosi:

Całkowita zmiana entropii = 4 J/K ‐ 4 J/K = 0

Przykładowe pytanie 3:

Silnik cieplny otrzymuje 600 dżuli ciepła (Q) przy temperaturze 300 ^oC, wykonując pracę i uwalniając pewną ilość ciepła w temperaturze 100 ^oC. Określ ilość odrzuconego ciepła i całkowitą zmianę entropii w silniku podczas jednego cyklu…

Pembahasan

T_H = 300 tys

Q_H = 600 J

T_L = 100 tys

Q_L =?

W jednym cyklu silnik Carnota przechodzi przez dwa odwracalne procesy izotermiczne (rozprężanie izotermiczne + sprężanie izotermiczne) oraz dwa odwracalne procesy adiabatyczne (rozprężanie i sprężanie adiabatyczne). Podczas procesów rozprężania i sprężania adiabatycznego ciepło nie dostaje się do układu ani go nie opuszcza (Q = 0). Ponieważ Q = 0, zmiana entropii podczas procesu adiabatycznego wynosi 0.

Podczas rozprężania izotermicznego silnik pochłania 600 J ciepła (Q) w temperaturze (T) 300 K. Ponieważ silnik pochłania ciepło, Q jest dodatnie. Zmiana entropii silnika podczas rozprężania izotermicznego wynosi:

Podczas sprężania izotermicznego silnik oddaje 200 J ciepła (Q) w temperaturze (T) 100 K. Ponieważ silnik oddaje ciepło, Q ma znak ujemny. Zmiana entropii silnika podczas sprężania izotermicznego wynosi:

Całkowita zmiana entropii = 2 J/K ‐ 2 J/K = 0

Z przykładowego pytania nr 2 i przykładowego pytania nr 3 wynika, że ​​całkowita zmiana entropii dla procesu odwracalnego = 0. Innymi słowy, w procesie odwracalnym całkowita entropia jest zawsze stała.

Przykładowe pytanie 4:

Kostka lodu o masie 2 kg ma temperaturę 0 ^oC. Kostki lodu umieszczono w pojemniku i wysuszono na słońcu. Ponieważ otrzymują dodatkowe ciepło z powietrza i słońca, lód się topi. Wyznacz zmianę entropii lodu. (Ciepło topnienia wody = 3,34 x 10⁵ J/kg)

Pembahasan

Masa lodu = 2 kg

Temperatura lodu = 0 ^oC + 273 = 273 K

Ciepło topnienia wody = 3,34 x 10 5 J/kg

Ciepło potrzebne do stopienia 2 kg lodu w wodę:

Q = ml

Q = (2 kg)(3,34 x 10⁵ J/kg)

Q = 6,68 x 10⁵ J

Q = 668 x 10³ J

Podczas procesu topnienia (przekształcania lodu w wodę) temperatura jest stała. Ponieważ temperatura jest stała, oblicza się zmianę entropii lodu.

Przykładowe pytanie 5:

Szklanka wody o temperaturze 26 stopni ^oC zmieszane ze szklanką wody o temperaturze 22 ^oC. Jeśli masa wody w szklance = 2 kg, określ zmianę entropii wody. Załóżmy, że ciepła i zimna woda mieszają się w zamkniętym, dobrze izolowanym pojemniku. Przenoszenie ciepła jest procesem nieodwracalnym.

Pembahasan

Ciepło właściwe wody (c) = 4180 J/kg C^o

Masa wody = 2 kg (taka sama masa wody).

Ponieważ masa wody jest taka sama, końcowa temperatura mieszanki wynosi 24 ^oC (26 ^oC+22 ^oC/2 = 48 ^oC/2 = 24 ^oDO).

Ilość ciepła uwalniana przez gorącą wodę, gdy jej temperatura spada z 26°C ^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

Ilość ciepła pochłoniętego przez zimną wodę, gdy jej temperatura wzrośnie od 22 o C do 24 o C:

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

Całkowita zmiana entropii = Zmiana entropii ciepłej wody + zmiana entropii zimnej wody

Średnia temperatura ciepłej wody = (26 ^oC+24 ^oC) / 2 = 50 ^oC/2 = 25 ^oC‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 K

Średnia temperatura zimnej wody = (22 ^oC+24 ^oC) / 2 = 46 ^oC/2 = 23 ^oC‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 K

Gorąca woda oddaje ciepło, więc Q jest ujemne. I odwrotnie, zimna woda pochłania ciepło, więc Q jest dodatnie. Pamiętaj o konwencji znaku Q (pierwsza zasada termodynamiki).

Δ S Całkowita = Δ S ciepła woda + Δ S zimna woda

Δ S Razem = - 56 107 J/K + 56 486 J/K

Δ S Suma = 0,379 J/K

Całkowita entropia wzrasta o 0,379 J/K

Mimo że entropia niektórych części układu maleje (‐56,107 J/K), entropia niektórych części układu wzrasta w większym stopniu (+56,486 J/K), tak że całkowita entropia zawsze wzrasta (+0,379 J/K).

Wzrost entropii całkowitej w procesie nieodwracalnym dotyczy nie tylko wymiany ciepła między mieszaniną gorącej i zimnej wody, którą analizowaliśmy powyżej, ale także wszystkich przypadków badanych przez naukowców. Entropia całkowita zawsze pozostaje stała, jeśli proces jest odwracalny. Jeśli proces jest nieodwracalny, entropia całkowita zawsze rośnie.

Zasadniczo wszystkie naturalne procesy w naszym codziennym życiu są nieodwracalne, więc całkowita entropia nieuchronnie rośnie. Fakt ten podsumowuje poniższy wers:

W procesie nieodwracalnym całkowita entropia układu i otoczenia zawsze wzrasta.

To zdanie zapisane kursywą stanowi ogólne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki. Druga zasada termodynamiki różni się nieco od innych praw fizyki. Zazwyczaj prawa fizyczne są wyrażane w postaci równań (np. prawa Newtona) lub praw zachowania (np. prawo zachowania energii).

Entropia jest miarą nieporządku

Entropię można uznać za miarę nieuporządkowania. W nawiązaniu do ogólnego sformułowania drugiej zasady termodynamiki, nieuporządkowanie ma tendencję do wzrostu w procesach nieodwracalnych. Innymi słowy, każdy proces nieodwracalny prowadzi zasadniczo do stanu nieuporządkowania. Znaczenie słowa nieuporządkowanie może być tu niejasne, dlatego zostanie wyjaśnione na przykładach procesów nieodwracalnych zachodzących w życiu codziennym.

Należy zauważyć, że pojęcie entropii pierwotnie kojarzono wyłącznie z nieodwracalnymi procesami obejmującymi zmiany formy energii i jej transfer. Po uwolnieniu z łodygi i swobodnym opadaniu aż do uderzenia w ziemię, mango nigdy nie przesuwa się w górę. Książka, którą pchniemy, a następnie zatrzymamy, nigdy nie cofnie się w naszym kierunku. Oto kilka przykładów nieodwracalnych procesów związanych ze zmianami formy energii i transferem energii z jednego obiektu do drugiego. Procesy te zachodzą tylko w jednym kierunku, ale nigdy w przeciwnym. Mango nigdy nie przesuwa się w górę samoistnie, ponieważ energia wewnętrzna przekształcił się w energia kinetycznaKsiążka nigdy nie przesuwa się w naszym kierunku, ponieważ ciepło wytwarzane przez tarcie zamienia się w energię kinetyczną.

Nieodwracalne procesy zachodzące we wszechświecie nie są związane wyłącznie ze zmianami form energii i jej transferem. Po narodzinach dorastamy jako niemowlęta, dzieci, nastolatki, dorośli, a następnie starzejemy się i rozkładamy, a w końcu umieramy 😉 Czy widziałeś kiedyś starą osobę zamieniającą się w niemowlę? Nigdy… Telefon komórkowy, którego używamy, z czasem słabnie i ulega zniszczeniu… Nowy samochód, który początkowo był płynny i mocny, staje się mniej płynny i słabszy po kilku latach użytkowania. Czy widziałeś kiedyś, jak stary samochód nagle staje się nowy? Albo twój ulubiony telefon komórkowy staje się płynniejszy i lepszy z każdym dniem? Nigdy… Po użyciu telefon komórkowy słabnie i ulega zniszczeniu. Samochody są takie same… Oto kilka przykładów nieodwracalnych procesów, które nie mają nic wspólnego ze zmianami form energii i jej transferem… Teraz, po uświadomieniu sobie, że wszystkie naturalne procesy zachodzące we wszechświecie są nieodwracalne, koncepcja entropii staje się szersza. Dyskusja obejmuje nie tylko procesy termodynamiczne, ale także wiele innych nieodwracalnych procesów we wszechświecie.

Omówmy teraz kilka nieodwracalnych procesów zachodzących w życiu codziennym. Najpierw rozważmy prosty proces nieodwracalny. To tylko wprowadzenie, które pozwoli Ci zrozumieć pojęcie entropii i jej związek z procesami nieodwracalnymi.

Załóżmy na przykład, że masz kilka czerwonych i niebieskich kulek. Kulki są umieszczone w pojemniku. Niebieskie kulki są starannie ułożone na dole, a czerwone na górze (obrazek po lewej). Układ kulek w pojemniku wygląda bardzo schludnie… Dół jest cały niebieski, góra cały czerwony.

Następnie potrząsasz pojemnikiem w górę i w dół. Ponieważ pojemnik porusza się w górę i w dół, układ kulek, który początkowo był bardzo regularny, zmienia się i znów staje się nieregularny (zdjęcie po prawej). Czerwone i niebieskie kulki mieszają się 😉 Im częściej nim potrząsasz, tym układ kulek staje się bardziej nieregularny… Czy to możliwe, że po potrząśnięciu układ kulek staje się regularny jak wcześniej? To niemożliwe… Udowodnij to, jeśli nie wierzysz. Niemożliwe jest, aby kulki stały się regularne jak wcześniej… To przykład procesu nieodwracalnego. Po przejściu nieodwracalnego procesu, układ kulek, który początkowo był bardzo regularny, zmienia się i staje się nieregularny. Regularność zmieniła się w nieregularność…

To samo dzieje się w innych nieodwracalnych procesach. Kiedy dotykamy gorącego i zimnego obiektu, ciepło automatycznie popłynie z gorącego obiektu do zimnego obiektu... Ciepło przestaje płynąć, gdy dwa obiekty w kontakcie osiągną tę samą temperaturę. Ten proces jest nieodwracalny... Cóż, początkowo mamy dwa układy cząsteczek, mianowicie cząsteczki o dużej średniej energii kinetycznej (cząsteczki, które tworzą gorący obiekt) i cząsteczki o małej średniej energii kinetycznej (cząsteczki, które tworzą zimny obiekt). Gdy gorący obiekt i zimny obiekt osiągną tę samą temperaturę (cząsteczki mają tę samą średnią energię kinetyczną), nie możemy już odróżnić tych dwóch układów cząsteczek. Układ cząsteczek, który początkowo był regularny, zmienia się w nieregularny. Podobnie jak układ kulek powyżej... Gdy dwa obiekty osiągną tę samą temperaturę, regularny układ cząsteczek zmienia się w nieregularny (nieregularność wzrasta z powodu nieodwracalnego przenoszenia ciepła).

Co więcej, przepływ ciepła z obiektu gorącego do zimnego można porównać do przepływu ciepła z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze w silniku cieplnym. Przepływ ciepła z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze umożliwia silnikowi cieplnemu wykonanie pracy. Silnik cieplny nie może wykonać pracy bez przepływu ciepła. W ten sposób możemy ustalić zależność między wielkością nieuporządkowania a zdolnością do wykonania pracy. Po osiągnięciu tej samej temperatury nie ma już przepływu ciepła z obiektu gorącego do obiektu zimnego (nieuporządkowanie wzrasta). Ponieważ brak przepływu ciepła uniemożliwia silnikowi cieplnemu wykonanie pracy, możemy powiedzieć, że układ, który nie może wykonać pracy, ma wysoki nieuporządkowanie, podczas gdy układ, który może wykonać pracę, ma niski nieuporządkowanie…

Na podstawie tych wyników możemy wyciągnąć wnioski na temat związku między formami energii a miarą nieuporządkowania. Zasadniczo, formą energii, która może być wykorzystana do wykonania pracy, jest energia potencjalna. Energia potencjalna grawitacji wody może być wykorzystana do napędzania turbiny. Energia potencjalna chemiczna ropy naftowej może być wykorzystana do napędzania pojazdu. Energia potencjalna chemiczna w naszych ciałach może być wykorzystana do wykonywania pracy, podróżowania, nauki… Energia potencjalna grawitacji mango może być wykorzystana do naprawy przecieku w dachu domu 😉 Ponieważ użyteczne formy energii mogą być wykorzystane do wykonania pracy, możemy powiedzieć, że użyteczne formy energii są bardziej uporządkowane, a bezużyteczne – bardziej nieuporządkowane. Formami bezużytecznej energii są energia wewnętrzna i ciepło… Po uderzeniu w ziemię mango nigdy nie unosi się ponownie, ponieważ energia wewnętrzna przekształca się w energię kinetyczną…

Po popchnięciu książki, książka się porusza. Obecność tarcia powoduje, że książka przestaje się poruszać… W tym przypadku energia kinetyczna książki zamieniła się w ciepło (ciepło powstaje w wyniku tarcia). W rzeczywistości książka, która nadal się porusza, nie przesuwa się z powrotem w naszą stronę, ponieważ ciepło zamieniło się w energię kinetyczną… Te dwa przykłady pokazują, że ciepło to dwie bezużyteczne formy energii. Bezużyteczne formy energii nie mogą być wykorzystane do wykonania pracy. Możemy zatem powiedzieć, że ciepło i energia wewnętrzna charakteryzują się dużą nierównomiernością…

Zasadniczo proces zmiany formy energii, z użytecznej na bezużyteczną, zawsze zwiększa nieporządek… W slangu entropia zawsze rośnie w procesie zmiany formy energii… Ponieważ entropia zawsze rośnie z upływem czasu, wszystkie użyteczne formy energii zmienią się w formy bezużyteczne. Energia zawsze będzie zachowana w procesie zmiany formy energii, ale forma energii, która jest uporządkowana i może być użyta do wykonania pracy, zmienia się w formę nieregularną i nie może być użyta do wykonania pracy…

Entropia i statystyka

Wcześniej omówiliśmy, że entropia jest miarą nieuporządkowania. Każdy nieodwracalny proces zasadniczo prowadzi do stanu wysokiego nieuporządkowania. Ta idea może wydawać się abstrakcyjna i niejasna. Aby lepiej zrozumieć pojęcie entropii, możemy posłużyć się podejściem statystycznym. Zrozumienie pojęcia entropii za pomocą podejścia statystycznego po raz pierwszy zastosował Ludwig Boltzmann (1844–1906).

Na początku tego artykułu wyjaśniono, że entropia jest wielkością opisującą stan mikroskopowy układu. Wielkości opisujące stany makroskopowe można poznać bezpośrednio, natomiast wielkości opisujące stany mikroskopowe nie. Aby zrozumieć stan mikroskopowy, możemy zbadać związek między stanami makroskopowymi a mikroskopowymi.

Masz monetę stu rupii? Moneta stu rupii ma dwie strony: jedna przedstawia ptaka Garuda, a druga napis „100 rupii”. Na przykład, jeśli masz czterysta rupii… jeśli rzucisz wszystkie czterysta rupii na podłogę, w jednym rzucie uzyskasz pięć różnych wyników:

Najpierw pojawiają się wszystkie obrazy ptaka Garuda (4 obrazy);

Po drugie, pojawiają się 3 obrazy ptaka Garuda, 1 napis o wartości stu rupii (3 obrazy, 1 napis);

Po trzecie, pojawiają się 2 obrazy ptaka Garuda, 2 słowa sto rupii (2 obrazy, 2 słowa);

Po czwarte, pojawia się 1 obraz ptaka Garuda, pojawiają się 3 słowa sto rupii (1 obraz, 3 słowa);

Po piąte, pojawiają się słowa „one hundred rupiah” (4 słowa)…

Te pięć możliwych wizerunków lub napisów nazywamy stanami makroskopowymi (makro = duży). I odwrotnie, jeśli przedstawimy cztery monety jako wizerunki lub napisy, określamy stany mikroskopowe (mikro = mały).

W jednym rzucie istnieje 16 możliwych stanów mikroskopowych (każda moneta ma dwie szanse. Cztery monety mają 16 szans = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16). Największe prawdopodobieństwo to pojawienie się 2 obrazków i 2 napisów (istnieje 6 możliwych stanów mikroskopowych spośród 16 stanów mikroskopowych - 6/16 x 100% = 37,5%). Z drugiej strony, najmniejsze prawdopodobieństwo to pojawienie się 4 obrazków lub 4 napisów (każdy ma 1 możliwy stan mikroskopowy - 1/16 x 100% = 6,25%). Omawiamy tutaj tylko szansę lub prawdopodobieństwo... Jeśli rzucamy monetami 16 razy, nie jest pewne, że 2 obrazki i 2 napisy pojawią się 6 razy. Ale jeśli rzucamy monetami tysiące razy, prawdopodobieństwo pojawienia się 2 obrazków i 2 napisów może sięgnąć 37,5%.

Lepiej to udowodnić... Rzuć proszę czterysta rupii 100 razy (1000 razy, jeśli potrafisz 😉). Zapisz dane uzyskane w jednym rzucie... Po 100 rzutach monetą zauważysz, że najczęściej pojawiają się 2 obrazki i 2 napisy. Im więcej rzutów, tym prawdopodobieństwo uzyskania 2 obrazków i 2 napisów zbliża się do 37,5% całkowitej liczby rzutów.

Wcześniej analizowaliśmy tylko 4 monety. Jeśli zwiększymy liczbę monet, liczba stanów mikroskopowych wzrośnie. Na przykład, mamy 100 monet… W jednym rzucie istnieje 2 100 = 1,27 x 10 30 możliwych stanów mikroskopowych… Największe prawdopodobieństwo to pojawienie się 50 obrazków i 50 napisów (istnieje 1,01 x 10 29 możliwych stanów mikroskopowych z łącznej liczby 1,27 x 10 30 stanów mikroskopowych). Natomiast najmniejsze prawdopodobieństwo to pojawienie się 100 obrazków lub 100 napisów (każdy ma tylko 1 możliwy stan mikroskopowy z łącznej liczby 1,27 x 10 30 stanów mikroskopowych). Bardzo małe i prawie niemożliwe… Jeśli mamy 1000 monet, prawdopodobieństwo pojawienia się 1000 obrazków lub 1000 napisów jest oczywiście jeszcze mniejsze i coraz bardziej nieprawdopodobne.

Aby odnieść to do koncepcji entropii, możemy założyć, że wszystkie obrazy lub cały tekst są ułożone w sposób uporządkowany, podczas gdy połowa obrazów i połowa tekstu są ułożone nieregularnie. Im większa liczba monet, tym mniejsze prawdopodobieństwo uzyskania uporządkowanego układu (wszystkich obrazów lub całego tekstu) i staje się to praktycznie niemożliwe. Z kolei układ nieregularny (połowa obrazów i połowa tekstu) ma znacznie większe prawdopodobieństwo lub szansę. Z tego wyniku wynika, że ​​nieregularność jest ściśle związana z prawdopodobieństwem. Najbardziej prawdopodobnym stanem jest stan nieregularny, a najbardziej nieprawdopodobnym stan uporządkowany.

Ogólne stwierdzenie drugiej zasady termodynamiki, które omówiliśmy wcześniej, głosi, że entropia, czyli nieuporządkowanie, zawsze rośnie w każdym procesie nieodwracalnym. To stwierdzenie drugiej zasady termodynamiki można rozumieć jako stwierdzenie prawdopodobieństwa. Oznacza to, że każdy proces zachodzący we wszechświecie jest procesem o największym prawdopodobieństwie lub możliwości. Druga zasada termodynamiki nie zabrania spadku entropii w każdym procesie nieodwracalnym, ale prawdopodobieństwo jest bardzo małe, wręcz niemożliwe. I odwrotnie, wzrost entropii ma znacznie większe prawdopodobieństwo. Liczba monet, które analizowaliśmy wcześniej, wynosiła zaledwie 100… w rzeczywistości jest ich 6,02 x 10²³ molekuł… to bardzo duża liczba. Możliwe stany mikroskopowe tej liczby są oczywiście bardzo duże, więc każde uporządkowanie ma bardzo małą, wręcz niemożliwą, szansę…

Jeśli upuścimy szklankę na podłogę, rozrzucone po niej odłamki mogą się ponownie zebrać i utworzyć jedną całość, tak jak poprzednio. Jednak prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest tak małe, że wręcz niemożliwe… gdy szklanka jest nienaruszona, cząsteczki rozrzucone są w bardziej uporządkowanym układzie. Gdy szklanka rozbije się, a odłamki rozsypią się na podłodze, układ cząsteczek staje się chaotyczny. Prawdopodobieństwo powrotu do uporządkowanego układu jest tak małe, że nie sposób oczekiwać, że cząsteczki ponownie się połączą. Jeśli dotkniemy gorącego i zimnego przedmiotu, ciepło popłynie samoczynnie z gorącego do zimnego… gorące przedmioty mają cząsteczki poruszające się chaotycznie i szybko, natomiast ruch cząsteczek tworzących zimne przedmioty nie jest zbyt szybki. Prawdopodobieństwo, że te szybko poruszające się cząsteczki zderzą się ze sobą lub dotrą do zimnego przedmiotu, jest znacznie większe niż prawdopodobieństwo, że te poruszające się powoli cząsteczki dotrą do zimnego przedmiotu… kto jest szybki, ten łapie 😉 Ciepło może przemieszczać się z zimnego do gorącego przedmiotu, ale prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest znacznie mniejsze.

Niebieskie i czerwone kulki na powyższej ilustracji mogłyby powrócić do swojego pierwotnego, regularnego układu. Jednak szansa powrotu do uporządkowanego układu jest znacznie mniejsza. Układ nieuporządkowany ma znacznie większą szansę. Podobnie jest z swobodną ekspansją gazu w zamkniętym pojemniku. Pojemnik ma dwie komory, rozdzielone barierą. Początkowo gaz znajduje się w lewej komorze. Po usunięciu bariery cząsteczki gazu będą gromadzić się w prawej komorze. Prawa komora jest pusta, podczas gdy lewa zawiera cząsteczki poruszające się chaotycznie. Po usunięciu bariery cząsteczki mają dużą szansę na przedostanie się do pustej komory. Czy po wypełnieniu całej objętości pojemnika dwukomorowego przez cząsteczki możliwe jest, aby wszystkie cząsteczki ponownie wypełniły lewą komorę? Jest to możliwe, ale prawdopodobieństwo jest bardzo małe. W jednym molu znajduje się 6,02 x 10²³ cząsteczki… prawdopodobieństwo, że wszystkie cząsteczki znajdą się w przestrzeni po lewej stronie, wynosi 1 na milion. Jedna na milion to bardzo małe i prawie niemożliwe prawdopodobieństwo…

Druga zasada termodynamiki mówi nam, że każdy proces zachodzący we wszechświecie jest procesem najbardziej prawdopodobnym. Kierunek, w którym proces w naturze przebiega (w kierunku wyższej entropii), jest determinowany przez przypadek lub prawdopodobieństwo… nieporządek ma znacznie większe prawdopodobieństwo wystąpienia, a zatem jest bardziej prawdopodobny…

Entropia = strzałka czasu

Entropia jest również nazywana strzałką czasu, ponieważ wskazuje nam kierunek upływu czasu. Kierunek każdego naturalnego procesu jest w stronę nieporządku. Jeśli zaobserwujemy zjawisko odwrotne, czyli sam nieporządek przekształcający się w porządek, możemy powiedzieć, że zdarzenie jest odwrócone. Jeśli zobaczymy rozrzucone na podłodze odłamki szkła, które ponownie się zbierają i tworzą jedną szklankę, możemy powiedzieć, że zdarzenie jest odwrócone. Nigdy tak się nie dzieje w naszym codziennym życiu, a gdyby tak się stało, naruszałoby to drugą zasadę termodynamiki. W tym przypadku czas nigdy się nie cofa, a nieporządek nigdy automatycznie nie zmienia się w porządek. Najbardziej prawdopodobnym i stałym zjawiskiem w naszym życiu jest to, że porządek zawsze zmierza w kierunku nieporządku; czas zawsze płynie naprzód, a nie wstecz. Gdyby osoba starsza zamieniła się w dziecko, uznalibyśmy to za anomalię i naruszenie drugiej zasady termodynamiki.