Du kan inte enkelt stoppa tillbaka tandkrämen i tuben. Du kan inte förvänta dig att molekyler av ånga spontant migrerar tillbaka tillsammans för att bilda en boll med vatten. Om du släpper ett gäng corgivalpar på ett fält, är det mycket osannolikt att du kommer att kunna få ihop dem alla igen till en låda utan att göra en massa arbete. Dessa är de problem som är förknippade med termodynamikens andra lag, även känd som entropins lag.
Innehåll
Termodynamik är viktigt för olika vetenskapliga discipliner, från ingenjörsvetenskap till naturvetenskap till kemi, fysik och till och med ekonomi. Ett termodynamiskt system är ett begränsat utrymme som inte släpper in eller ut energi ur det.
Termodynamikens första lag har att göra med bevarandet av energi — du minns säkert att du hört tidigare att energin i ett slutet system förblir konstant ("energi kan varken skapas eller förstöras"), såvida den inte manipuleras från utsidan. Men energin byter ständigt form - en brand kan förvandla kemisk energi från en växt till termisk och elektromagnetisk energi. Ett batteri förvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Världen vänder och energin blir mindre organiserad.
"Termodynamikens andra lag kallas entropilagen", berättade Marko Popovic, en postdoktor i biotermodynamik vid School of Life Sciences vid Tekniska universitetet i München, i ett mejl. "Det är en av de viktigaste lagarna i naturen."
Entropi är ett mått på störningen i ett slutet system. Enligt den andra lagen ökar entropin i ett system nästan alltid med tiden - du kan göra arbete för att skapa ordning i ett system, men även det arbete som lagts ner på omordning ökar oordning som en biprodukt - vanligtvis i form av värme. Eftersom måttet på entropi är baserat på sannolikheter är det naturligtvis möjligt för entropin att minska i ett system ibland, men det är statistiskt mycket osannolikt.
Det är svårare än man tror att hitta ett system som inte släpper ut eller in energi – vårt universum är ett lika bra exempel på ett som vi har – men entropi beskriver hur störningar uppstår i ett system som är lika stort som universum eller som liten som en termos full med kaffe.
Entropi har dock inte att göra med vilken typ av störning du tänker på när du låser in ett gäng schimpanser i ett kök. Det har mer att göra med hur många möjliga permutationer röran kan göras i köket snarare än hur stor en röra är möjlig. Naturligtvis beror entropin på många faktorer:hur många schimpanser det finns, hur mycket prylar som förvaras i köket och hur stort köket är. Så om du skulle titta på två kök – ett mycket stort och välfyllt men noggrant rent, och ett annat som är mindre med mindre grejer i sig, men som redan är ganska slängt av schimpanser – är det frestande att säga att det stökigare rummet har mer entropi, men det är inte nödvändigtvis fallet. Entropi handlar mer om hur många olika tillstånd som är möjliga än hur oordnad det är för tillfället; ett system har därför mer entropi om det finns fler molekyler och atomer i det, och om det är större. Och om det finns fler schimpanser.
Entropi kan vara det sannaste vetenskapliga konceptet som de minsta människorna faktiskt förstår. Begreppet entropi kan vara mycket förvirrande - delvis för att det faktiskt finns olika typer. Den ungerske matematikern John von Neumann beklagade situationen så här:"Den som använder termen 'entropi' i en diskussion vinner alltid eftersom ingen vet vad entropi verkligen är, så i en debatt har man alltid fördelen."
"Det är lite svårt att definiera entropi", säger Popovic. "Kanske är det bäst att definiera som en icke-negativ termodynamisk egenskap, som representerar en del av energin i ett system som inte kan omvandlas till användbart arbete. Alltså innebär varje tillsats av energi till ett system att en del av energin kommer att omvandlas till entropi, vilket ökar störningen i systemet. Således är entropi ett mått på oordning i ett system."
Men må inte dåligt om du är förvirrad:definitionen kan variera beroende på vilken disciplin som utövar den för tillfället:
I mitten av 1800-talet arbetade en tysk fysiker vid namn Rudolph Clausius, en av grundarna av begreppet termodynamik, med ett problem angående effektivitet i ångmaskiner och uppfann begreppet entropi för att hjälpa till att mäta värdelös energi som inte kan omvandlas till nyttigt arbete. Ett par decennier senare använde Ludwig Boltzmann (entropins andra "grundare") konceptet för att förklara beteendet hos ett enormt antal atomer:även om det är omöjligt att beskriva beteendet för varje partikel i ett glas vatten, är det fortfarande möjligt att förutsäga deras kollektiva beteende när de värms upp med hjälp av en formel för entropi.
"På 1960-talet tolkade den amerikanske fysikern E.T. Jaynes entropi som information som vi missar för att specificera rörelsen för alla partiklar i ett system", säger Popovic. "Till exempel består en mol gas av 6 x 10 23 partiklar. För oss är det alltså omöjligt att beskriva varje partikels rörelse, så istället gör vi det näst bästa, genom att definiera gasen inte genom varje partikels rörelse, utan genom egenskaperna hos alla partiklar tillsammans:temperatur, tryck , total energi. Informationen som vi förlorar när vi gör detta kallas entropi."
Och det skrämmande konceptet "universums värmedöd" skulle inte vara möjligt utan entropi. Eftersom vårt universum med största sannolikhet började som en singularitet - en oändligt liten, ordnad energipunkt - som ballongerade ut och fortsätter att expandera hela tiden, växer entropin konstant i vårt universum eftersom det finns mer utrymme och därför fler potentiella oordningstillstånd för atomerna här att adoptera. Forskare har antagit att, långt efter att du och jag är borta, kommer universum så småningom att nå någon punkt av maximal oordning, vid vilken tidpunkt allt kommer att vara samma temperatur, utan ordningsfickor (som stjärnor och schimpanser) att hitta.
Och om det händer har vi entropi att tacka för det.
Nu är det intressant1900-talsforskaren Sir Arthur Eddington tyckte att begreppet entropi var så viktigt för vetenskapen att han skrev i The Nature of the Physical World 1928:"Lagen att entropin alltid ökar har, tror jag, den högsta ställningen bland naturlagarna. ... Om din teori visar sig strida mot termodynamikens andra lag kan jag inte ge dig något hopp, det finns inget för att den ska kollapsa i djupaste förnedring."
