Войти
Молекулы Больцмана (1896 г.) показаны в «положении покоя» в твердом теле В термодинамике энтропия часто связана с количеством порядка или беспорядка в термодинамической системе. Это проистекает из утверждения Рудольфа Клаузиуса '1862 г., что любой термодинамический процесс всегда «допускает сведение [редукцию] к изменению тем или иным образом расположения составных частей рабочее тело ", и эта внутренняя работа, связанная с этими изменениями, количественно оценивается с помощью меры изменения" энтропии "в соответствии со следующим дифференциальным выражением:
где Q = энергия движения («тепло»), которая обратимо передается системе из окружающей среды, а T = абсолютная температура, при которой перенос происходитВ последующие годы Людвиг Больцман перевел эти «изменения расположения» в вероятностный взгляд на порядок и беспорядок в газофазных молекулярных системах. В контексте энтропии «идеальный внутренний беспорядок» часто рассматривается как описание термодинамического равновесия, но поскольку термодинамическая концепция так далека от повседневного мышления, использование этого термина в физике и химии вызвало много путаницы и недопонимания.
В последние годы для интерпретации концепции энтропии путем дальнейшего описания «изменений порядка» произошел переход от слов «порядок» и «беспорядок» к таким словам, как «распространение 'и ' дисперсия '.
Эта энтропийная перспектива «молекулярного упорядочения» восходит к истокам интерпретации движения молекул, разработанной Рудольфом Клаузиус в 1850-х годах, особенно с его визуальной концепцией молекулярной дезагрегации в 1862 году. Точно так же в 1859 году, после прочтения статьи Клаузиуса о диффузии молекул, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал распределение Максвелла молекулярных скоростей, которое дало долю молекул, имеющих определенная скорость в определенном диапазоне. Это был первый статистический закон в физике.
В 1864 году Людвиг Больцман, молодой студент из Вены, наткнулся на статью Максвелла и был настолько вдохновлен ею, что потратил большую часть его долгая и выдающаяся жизнь развивает эту тему дальше. Позже Больцман, пытаясь разработать кинетическую теорию для поведения газа, применил законы вероятности к молекулярной интерпретации энтропии Максвелла и Клаузиуса, чтобы начать интерпретацию энтропия с точки зрения порядка и беспорядка. Точно так же в 1882 году Герман фон Гельмгольц использовал слово «Unordnung» (беспорядок) для описания энтропии.
Чтобы подчеркнуть тот факт, что порядок и беспорядок обычно понимаются для измерения в терминах энтропии ниже приведены определения энтропии в современной научной энциклопедии и научном словаре:
Энтропия и беспорядок также связаны с равновесием. Технически энтропия, с этой точки зрения, определяется как термодинамическое свойство, которое служит мерой того, насколько близка система к равновесию, то есть к совершенному внутреннему беспорядку . Аналогично, величина энтропии распределения атомов и молекул в термодинамической системе является мерой беспорядка в расположении ее частиц. В вытянутом куске резины, например, расположение молекул его структуры имеет «упорядоченное» распределение и нулевую энтропию, в то время как «неупорядоченное» извилистое распределение атомов и молекул в резине в нерастянутом состояние имеет положительную энтропию. Точно так же в газе порядок идеален, и мера энтропии системы имеет наименьшее значение, когда все молекулы находятся в одном месте, тогда как, когда занято больше точек, газ становится тем более беспорядочным. и мера энтропии системы имеет наибольшее значение.
В системной экологии, в качестве другого примера, энтропия совокупности элементов, составляющих систему, определяется как мера их беспорядок или, что то же самое, относительная вероятность мгновенной конфигурации предметов. Более того, по словам эколога-теоретика и инженера-химика Роберта Улановича, «эта энтропия может обеспечить количественную оценку ранее существовавшего субъективного представления о беспорядке, породившего бесчисленные научные и философские нарративы». В частности, многие биологи стали говорить об энтропии организма или о его антониме негэнтропии как о мере структурного порядка внутри организма.
Математическая основа Что касается ассоциации энтропии с порядком и беспорядком, то она началась, по сути, со знаменитой формулы Больцмана, 
энтропия Вселенной стремится к максимуму.
Таким образом, если энтропия связана с беспорядком, и если энтропия Вселенной стремится к максимальной энтропии, то многие часто озадачиваются природой процесса «упорядочивания» и действия эволюции по отношению к самой известной версии Клаузиуса. второй закон, гласящий, что Вселенная движется к максимальному «беспорядку». В недавно вышедшей в 2003 году книге «SYNC - Новая наука о спонтанном порядке», написанной Стивеном Строгацем, мы, например, находим «Ученые часто сбивались с толку из-за существования спонтанного порядка во Вселенной. законы термодинамики, кажется, диктуют противоположное, что природа должна неумолимо вырождаться в состояние большего беспорядка, большей энтропии. Тем не менее, повсюду мы видим великолепные структуры - галактики, клетки, экосистемы, людей, - которым все каким-то образом удалось собрать себя ».
Обычный аргумент, используемый для объяснения этого, заключается в том, что локально энтропия может быть снижена внешним воздействием, например действие солнечного нагрева, и это относится к машинам, таким как холодильник, где энтропия в холодной камере уменьшается, к растущим кристаллам и к живым организмам. Однако это локальное увеличение порядка возможно только за счет увеличения энтропии в окружающей среде; здесь должно быть создано больше беспорядка. Условий этого утверждения достаточно, чтобы живые системы были открытыми системами, в которых и тепло, масса и / или работа могут передаваться в или вне системы. В отличие от температуры, предполагаемая энтропия живой системы резко изменилась бы, если бы организм был термодинамически изолирован. Если бы организм находился в такой «изолированной» ситуации, его энтропия заметно увеличилась бы, поскольку некогда живые компоненты организма распадались до неузнаваемой массы.
Благодаря этому На ранних этапах развития типичным примером изменения энтропии ΔS является изменение фазы. В твердых телах, например, которые обычно упорядочены в молекулярном масштабе, обычно имеют меньшую энтропию, чем жидкости, а жидкости имеют меньшую энтропию, чем газы, а более холодные газы имеют меньшую энтропию, чем более горячие газы. Кроме того, согласно третьему закону термодинамики, при абсолютном нуле температуре кристаллические структуры аппроксимируются как имеющие совершенный «порядок» и нулевую энтропию. Эта корреляция возникает потому, что количество различных микроскопических состояний квантовой энергии, доступных для упорядоченной системы, обычно намного меньше, чем количество состояний, доступных для системы, которая кажется неупорядоченной.
В своих знаменитых лекциях по теории газа 1896 года Больцман изобразил структуру твердого тела, как показано выше, постулируя, что каждая молекула в теле имеет «положение покоя». Согласно Больцману, если он приближается к соседней молекуле, он отталкивается от нее, но если он удаляется дальше, возникает притяжение. Это, конечно, была революционная перспектива в свое время; многие в эти годы не верили в существование ни атомов, ни молекул (см.: история молекулы ). Согласно этим ранним и другим взглядам, таким как те, что были разработаны Уильямом Томсоном, если энергия в форме тепла добавляется к твердому телу, чтобы превратить его в жидкость или газа, обычное представление состоит в том, что порядок атомов и молекул становится более случайным и хаотичным с повышением температуры:
Таким образом, согласно Больцману, из-за увеличения теплового движения всякий раз, когда к рабочему веществу добавляется тепло, положение покоя молекул будет раздвинуто, тело расширится, и это создаст более молярно-неупорядоченное распределение и расположение молекул. Эти неупорядоченные устройства впоследствии коррелируют с помощью аргументов вероятности с увеличением меры энтропии.
Энтропия была исторически, например Клаузиуса и Гельмгольца, связанные с беспорядком. Однако в просторечии порядок используется для описания организации, структурной закономерности или формы, например, в кристалле по сравнению с газом. Это банальное понятие порядка количественно описывается теорией Ландау. В теории Ландау развитие порядка в повседневном смысле совпадает с изменением значения математической величины, так называемого параметра порядка. Примером параметра порядка для кристаллизации является «ориентационный порядок связей», описывающий развитие предпочтительных направлений (кристаллографических осей) в пространстве. Для многих систем фазы с более структурным (например, кристаллическим) порядком демонстрируют меньшую энтропию, чем жидкие фазы при тех же термодинамических условиях. В этих случаях маркировка фаз как упорядоченных или неупорядоченных в соответствии с относительной величиной энтропии (согласно понятию порядка / беспорядка Клаузиуса / Гельмгольца) или через наличие структурной регулярности (согласно понятию порядка / беспорядка Ландау) дает совпадающие метки.
Однако существует широкий класс систем, которые проявляют управляемый энтропией порядок, в которых фазы с организационной или структурной регулярностью, например кристаллы имеют более высокую энтропию, чем структурно неупорядоченные (например, жидкие) фазы при тех же термодинамических условиях. В этих системах фазы, которые можно было бы назвать неупорядоченными из-за их более высокой энтропии (в смысле Клаузиуса или Гельмгольца), упорядочены как в повседневном смысле, так и в теории Ландау.
При подходящих термодинамических условиях было предсказано или обнаружено, что энтропия побуждает системы формировать упорядоченные жидкие кристаллы, кристаллы и квазикристаллы. Во многих системах направленная энтропийная сила управляет этим поведением. Совсем недавно было показано, что можно точно сконструировать частицы для целевых упорядоченных структур.
В поисках сверхнизких температур используется метод понижения температуры под названием Используется адиабатическое размагничивание, где используются соображения атомной энтропии, которые могут быть описаны в терминах порядка-беспорядка. В этом процессе образец твердого вещества, например соли хрома-квасцов, молекулы которого эквивалентны крошечным магнитам, находится внутри изолированного корпуса, охлаждаемого до низкой температуры, обычно 2 или 4 кельвина, с сильным магнитным полем прикладывается к контейнеру с помощью мощного внешнего магнита, так что крошечные молекулярные магниты выравниваются, образуя хорошо упорядоченное «начальное» состояние при этой низкой температуре. Это магнитное выравнивание означает, что магнитная энергия каждой молекулы минимальна. Затем внешнее магнитное поле уменьшается, и это удаление считается почти обратимым. После этого уменьшения атомные магниты принимают случайную менее упорядоченную ориентацию из-за теплового перемешивания в «конечном» состоянии:
соображения энтропийного «порядка» / «беспорядка» в процессе адиабатического размагничивания «Беспорядок» и, следовательно, энтропия, связанная с изменением расположения атомов, явно увеличилась. С точки зрения потока энергии, движение из магнитно выровненного состояния требует энергии теплового движения молекул, преобразующей тепловую энергию в магнитную. Тем не менее, согласно второму закону термодинамики, поскольку никакое тепло не может входить или выходить из контейнера из-за его адиабатической изоляции, система не должна демонстрировать изменения энтропии, т. Е. ΔS = 0. Однако увеличение беспорядка, связанное с рандомизирующими направлениями атомных магнитов, представляет собой увеличение энтропии? Чтобы компенсировать это, беспорядок (энтропия), связанный с температурой образца, должен уменьшиться на ту же величину. Таким образом, температура падает в результате этого процесса преобразования тепловой энергии в магнитную. Если затем увеличить магнитное поле, температура повысится, и магнитную соль придется снова охладить с помощью холодного материала, такого как жидкий гелий.
В последнее время лет давнее использование термина «беспорядок» для обсуждения энтропии встретило некоторую критику. Критики терминологии заявляют, что энтропия не является мерой «беспорядка» или «хаоса», а скорее мерой диффузии энергии или ее распространения в большее количество микросостояний. Использование Шенноном термина «энтропия» в теории информации относится к наиболее сжатому или наименее рассредоточенному количеству кода, необходимому для охвата содержания сигнала.
