Энтропия и её роль в термодинамике

Термодинамика — это раздел физики, изучающий обменные, энергетические процессы в системе.

Нулевой закон термодинамики гласит, что макроскопическая система, находящаяся в неизменных внешних условиях всегда приходит самопроизвольно в состояние термодинамического равновесия, при котором прекращаются любые макроскопические изменения. В таком состоянии система может находиться сколь угодно долго, вывести из неё может только внешнее воздействие.

Что следует понимать под макроскопической системой, находящейся в неизменных внешних условиях? Единственной системой, подходящей под это определение, является вселенная в целом. Для неё не существует «внешних условий», а значит, она всегда самопроизвольно стремится к состоянию термодинамического равновесия.

Что значит термодинамическое равновесие? В определении сказано, что это состояние, при котором прекращаются любые макроскопические изменения. Но какие параметры системы следует считать макроскопическими? Для того, чтобы разобраться в этом, вспомним другие законы термодинамики.

Первый закон термодинамики: энергия изолированной системы сохраняет постоянную величину при всех изменениях, происходящих в этой системе. На этом принципе основаны все законы сохранения в физике. Иными словами, энергия не возникает из ничего и не может обратиться в ничто.

Второй закон термодинамики: В изолированной системе энтропия либо остается неизменной, либо возрастает.

Третий закон термодинамики: При приближении к абсолютному нулю энтропия S стремится к конечному пределу S0. Все процессы при абсолютном нуле происходят без изменения энтропии.

Мы видим, что вся термодинамика в конечном итоге сводится к двум определениям: энтропии и абсолютного нуля. И если мы сумеем понять смысл этих определений, то всё станет просто и понятно.

Начнем с температуры.

Температура — это показатель обменных, энергетических процессов в системе. Если взять произвольный объект в системе, то он стремится к установлению равновесия с окружающей средой (с системой в целом). Но до тех пор, пока такое равновесие не достигнуто, происходит постоянный энергообмен с окружающей средой. Если объект отдает энергию, то он при этом сжимается. Его внутренняя энергия при этом уменьшается. А если объект получает энергию извне, то он наоборот расширяется. Это увеличение внутренней энергии.

«Но при чем тут температура?» - спросите вы. «Ведь температура — это средний показатель всех энергетических процессов в системе, нельзя измерить температуру отдельного атома».

Если представлять атом в виде маленького шарика, а температуру — как результат движения и столкновения этих шариков, то говорить о температуре отдельного шарика нет смысла. Но мы откажемся от такой визуализации термодинамических процессов. Вместо этого мы будем представлять систему в виде суммы неких макроскопических информационных параметров, каждый из которых воплощен в каком-либо макроскопическом объекте.

Для каждого объекта существует некое оптимальное, нормальное физическое состояние, при котором он имеет естественную форму и объём. Увеличение температуры (внутренней энергии) приводит к расширению, а значит плюсовая температура — это направление расширения объекта вовне.

Уменьшение температуры приводит к сжатию, а значит минусовая температура — это направление внутрь, в сторону минимизации объема. Но нуля (полного исчезновения) достичь невозможно. Температуру следует считать положительной, если она больше единицы, а отрицательной — если она меньше единицы.

Таким образом, вместо «абсолютного нуля» правильнее было бы использовать термин «абсолютная единица». И это такое состояние равновесия между объектом и системой, когда температура перестаёт ощущаться и теряет своё значение.

Теперь зададимся вопросом — что такое энтропия?

Мы знаем, что энтропия каким-то образом связана с информацией. И оба эти термина представляют для нас какую-то загадку. Но на самом деле всё очень просто. Энтропия — это количество объектов в системе. И это объясняет всё!

Чем больше объектов в системе, тем больше информации она может вместить. Но чем хуже эти объекты структурированы, тем больше хаоса возможно в такой системе. Поэтому с одной стороны, энтропия может говорить о большой информации, а с другой — об отсутствии информации, о хаосе.

Иными словами, энтропия — это не состояние системы, а именно количество объектов в системе, а информация — это состояние, функция от этого количества. И если объекты эффективным образом перегруппируются в системе, это не уменьшит энтропию, но увеличит информацию.

А теперь вспомним третий закон термодинамики. Он говорит о том, что при стремлении системы к «абсолютному нулю» (вернее, к абсолютной единице) энтропия стремится к конечному значению. И дальнейшие процессы в системе происходят без изменения энтропии!

Это означает, что рано или поздно система достигнет такого состояния, такой оптимальной структуры, когда количество объектов в ней будет постоянным. То есть не будет ни смерти, ни рождений! Будет жизнь вечная!

В таком состоянии не будет необходимости в энергетическом обмене. Каждый объект будет черпать энергию из себя, синтезировать её в необходимом количестве.

Любой тепловой обмен на самом деле связан с уничтожением одних объектов ради поглощения другими. Будь то реакция горения, окисления, или поглощения и переваривания пищи. И только процессы синтеза могут происходить без уничтожения, без уменьшения количества, т. е. без изменения энтропии.

Необходимо подчеркнуть, что речь идет «о СТРЕМЛЕНИИ к абсолютному нулю» и постоянной энтропии. Возможно ли её абсолютное достижение — это вопрос открытый.

При таком определении энтропии и информации становится более понятным физический смысл температуры. Каждый момент в системе происходит энергетический обмен между объектами. Каждый объект имеет какую-то энергетическую характеристику - либо больше единицы (если получает энергию), либо меньше 1 (если отдает). Если этот обмен адресный, то система находится в состоянии близком к абсолютному "нулю", т.к. если мы перемножим все значения, то получим единицу. Но если энергия в системе находится в свободном состоянии (она выделена, но не поглощена, как деньги в экономике - они есть, но не приносят пользу), то это энергия ощущается в виде температуры системы.