Войти
В физике, энтропийная сила, действующая в системе, является эмерджентное явление, возникающее из-за статистической тенденции всей системы к увеличению ее энтропии, а не из-за определенной основной силы в атомном масштабе. Энтропийную силу можно рассматривать как порождение энтропийного взаимодействия. Понятие энтропийного взаимодействия обычно употреблялось в сослагательном наклонении. Например: «макромолекулы, как будто, энтропийно отталкиваются друг от друга на коротком расстоянии и энтропийно притягиваются друг к другу на большом расстоянии». С современной точки зрения энтропийное взаимодействие считается взаимодействием в реальной жизни, и оно рассматривается как взаимное влияние открытых термодинамических систем друг на друга посредством передачи информации об их состояниях, изменения их энтропий и перевода этих систем в более вероятные условия. Энтропийное взаимодействие - это типичное физическое взаимодействие, которое реализуется хорошо: известные основные взаимодействия (гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые ядерные) через процессы, происходящие в других частях Вселенной, включая Солнечную систему, нашу планету Земля и живые организмы. Эти основные взаимодействия считаются дочерними по отношению к энтропийному взаимодействию. Энтропийное взаимодействие взаимодействие не является следствием наличия некоторого энтропийного заряда и сопровождающего его поля. как распределение энтропии в пространстве. Энтропийное взаимодействие отражает только «порядок» и «структуру» пространства, состояние пространства и физических систем в нем и, в конечном итоге, влияет на энергию, поведение и эволюцию таких систем, а также пространства в целом. Энтропийное взаимодействие приводит к изменению симметрии, свободной энергии и других характеристик физической системы. Используя это взаимодействие, все материальные объекты в Природе оказывают определенное влияние друг на друга, независимо от расстояния между ними.
В каноническом ансамбле энтропийная сила 
где 
.
Согласно принципу Маха, местные законы физики определяются крупномасштабной структурой Вселенной и изменяются в любой части Вселенная воздействует соответствующим воздействием на все ее части. Прежде всего, такие изменения обусловлены энтропийным взаимодействием. Как только они получают место в одной части вселенной, энтропия вселенной в целом также изменяется. То есть вся Вселенная «чувствует» такие изменения одновременно. Другими словами, энтропийное взаимодействие между различными частями любой термодинамической системы происходит мгновенно, без передачи какого-либо материального вещества, что означает, что это всегда дальнодействующее действие. После этого внутри системы возникают какие-то процессы, передающие какие-то вещества или порции энергии в нужном направлении. Эти действия вызываются одним (или несколькими) основными взаимодействиями в соответствии с режимом короткодействующего воздействия.
Рассеивание тепла является одним из примеров энтропийного взаимодействия. Когда одна сторона металлического полюса нагревается, вдоль полюса создается неоднородное распределение температуры. Из-за энтропийного взаимодействия между различными частями полюса энтропия всего полюса мгновенно уменьшится. В то же время появляется тенденция к однородному распределению температуры (и тем самым к увеличению энтропии полюса). Это будет действие на большие расстояния. Процесс теплопроводности возникнет, чтобы реализовать эту тенденцию с помощью короткодействующего воздействия. В целом, это пример сосуществования в одном процессе долгосрочных и краткосрочных действий.
внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры, а не от объема, в котором он находится. box, поэтому это не эффект энергии, который имеет тенденцию к увеличению объема коробки, как это делает газ давление. Это означает, что давление идеального газа имеет энтропийное происхождение.
Каково происхождение такой энтропийной силы? Самый общий ответ заключается в том, что эффект тепловых флуктуаций имеет тенденцию приближать термодинамическую систему к макроскопическому состоянию, которое соответствует максимуму в количестве микроскопических состояний (или микростостояний), совместимых с этим макроскопическим состоянием. штат. Другими словами, тепловые флуктуации стремятся привести систему к макроскопическому состоянию максимальной энтропии.
Энтропийный подход к броуновскому движению был первоначально предложен Р. М. Нейманом.. Нейман вывел энтропийную силу для частицы, претерпевающей трехмерное броуновское движение, используя уравнение Больцмана, обозначив эту силу как диффузионную движущую силу или радиальную силу. В статье показаны три примера систем, демонстрирующих такую силу:
Стандартный пример энтропийной силы - это эластичность свободно соединенной молекулы полимера. Для идеальной цепи максимизация ее энтропии означает уменьшение расстояния между двумя ее свободными концами. Следовательно, сила, которая имеет тенденцию к сжатию цепи, прилагается идеальной цепью между двумя ее свободными концами. Эта энтропийная сила пропорциональна расстоянию между двумя концами. Энтропийная сила свободно соединенной цепи имеет очевидное механическое происхождение и может быть вычислена с использованием ограниченной лагранжевой динамики.
Капли воды на поверхности травы. Еще один пример энтропийная сила - это гидрофобная сила. При комнатной температуре это частично происходит из-за потери энтропии трехмерной сеткой молекул воды, когда они взаимодействуют с молекулами растворенного вещества. Каждая молекула воды способна
Следовательно, молекулы воды могут образовывать протяженную трехмерную сеть. Введение поверхности, не связывающей водородные связи, нарушает эту сеть. Молекулы воды перестраиваются вокруг поверхности, чтобы минимизировать количество разорванных водородных связей. Это отличается от фтороводорода (который может принимать 3, но отдавать только 1) или аммиака (который может отдавать 3, но принимать только 1), которые в основном образуют линейные цепи.
Если бы введенная поверхность имела ионную или полярную природу, молекулы воды стояли бы вертикально на 1 (вдоль оси орбитали ионной связи) или на 2 (вдоль результирующей оси полярности) четырех sp. орбитали. Эти ориентации обеспечивают легкое движение, то есть степени свободы, и, таким образом, минимально понижают энтропию. Но поверхность с умеренной кривизной, не связывающая водородные связи, заставляет молекулу воды плотно сидеть на поверхности, распространяя 3 водородные связи по касательной к поверхности, которые затем замыкаются в форме корзины, подобной клатрату. Молекулы воды, входящие в эту клатратоподобную корзину вокруг поверхности, не связывающей водородные связи, ограничены в своей ориентации. Таким образом, любое событие, минимизирующее такую поверхность, является энтропийным. Например, когда две такие гидрофобные частицы подходят очень близко, окружающие их клатратные корзины сливаются. Это высвобождает часть молекул воды в основной объем воды, что приводит к увеличению энтропии.
Другой связанный и противоречащий интуиции пример энтропийной силы - это сворачивание белка, которое является спонтанным процессом и в котором гидрофобный эффект также играет роль. Структуры водорастворимых белков обычно имеют ядро, в котором гидрофобные боковые цепи скрыты от воды, что стабилизирует сложенное состояние. Заряженные и полярные боковые цепи расположены на открытой для растворителя поверхности, где они взаимодействуют с окружающими молекулами воды. Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды, является основной движущей силой процесса сворачивания, хотя образование водородных связей внутри белка также стабилизирует структуру белка.
Важны энтропийные силы и широко распространены в физике коллоидов, где они ответственны за силу истощения и упорядочение твердых частиц, таких как кристаллизация твердых сфер, переход изотропный - нематический в фазах жидких кристаллов твердых стержней и упорядочение твердых многогранников. Из-за этого энтропийные силы могут быть важным двигателем самосборки
. Энтропийные силы возникают в коллоидных системах из-за осмотического давления, которое возникает в результате скопления частиц. Это было впервые обнаружено и наиболее интуитивно понятно для смесей коллоид-полимер, описываемых моделью Асакуры – Осавы. В этой модели полимеры аппроксимируются как сферы конечного размера, которые могут проникать друг в друга, но не могут проникать через коллоидные частицы. Неспособность полимеров проникать в коллоиды приводит к образованию области вокруг коллоидов, в которой плотность полимера снижается. Если области пониженной плотности полимера вокруг двух коллоидов перекрываются друг с другом за счет приближения коллоидов друг к другу, полимеры в системе получают дополнительный свободный объем, равный объему пересечения областей пониженной плотности. Дополнительный свободный объем вызывает увеличение энтропии полимеров и заставляет их образовывать локально плотно упакованные агрегаты. Подобный эффект наблюдается в достаточно плотных коллоидных системах без полимеров, где осмотическое давление также приводит к локальной плотной упаковке коллоидов в разнообразный массив структур, которые можно рационально спроектировать, изменив форму частиц. Эти эффекты относятся к анизотропным частицам, которые называются направленными энтропийными силами.
Некоторые силы, которые обычно рассматриваются как обычные силы, на самом деле считаются энтропийными в природа. Эти теории остаются спорными и являются предметом постоянной работы. Мэтт Виссер, профессор математики Университета Виктории в Веллингтоне, Новая Зеландия, в статье «Консервативные энтропийные силы» критикует избранные подходы, но в целом делает следующий вывод:
Нет никаких разумных сомнений относительно физической реальности энтропийных сил и Есть основания сомневаться в том, что классическая (и полуклассическая) общая теория относительности тесно связана с термодинамикой. Основываясь на работе Якобсона, Тану Падманабхана и других, есть также веские основания подозревать, что термодинамическая интерпретация полностью релятивистских уравнений Эйнштейна возможна.
В 2009, Эрик Верлинде утверждал, что гравитацию можно объяснить как энтропийную силу. Он утверждал (аналогично результату Якобсона), что гравитация является следствием «информации, связанной с положением материальных тел». Эта модель сочетает в себе термодинамический подход к гравитации с голографическим принципом Джерарда т Хофта . Это означает, что гравитация - это не фундаментальное взаимодействие, а возникающее явление.
После дискуссии, начатой Верлинде, энтропийные объяснения других фундаментальных сил были предложены, в том числе закон Кулона, электрослабые и сильные силы. Тот же подход использовался для объяснения темной материи, темной энергии и эффекта Пионера.
Утверждалось, что приводят к спонтанным появление использования инструментов и социального сотрудничества. Причинные энтропийные силы по определению максимизируют производство энтропии между настоящим и будущим временным горизонтом, а не просто жадно максимизируют мгновенное производство энтропии, как типичные энтропийные силы.
Формальная одновременная связь между математической структурой обнаруженных законов природы, интеллекта и энтропийными мерами сложности была ранее отмечена в 2000 году Андреем Соклаковым в контексте бритвы Оккама принцип.
