Закон энтропии: определение, формула, примеры

Понятие энтропии — одно из наиболее сложных и многогранных. Постараемся разобраться, что это такое.

Что такое энтропия

Понятие энтропии используется в различных областях знаний. Наиболее общее ее определение можно выразить следующим образом:

Впервые этот термин был использован немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году. Тогда он имел узкое значение одной из физических переменных.

Энтропия в термодинамике

Термодинамическая энтропия — физическая величина, которая описывает термодинамическую систему, термические явления и свойства макроскопических объектов.

Объяснить понятие энтропии можно на следующем примере. Представьте кусок горячего металла, чье тепло распространяется по окружающей среде. Также рядом с этим металлом витают пять молекул газа. Металл передаст пять квантов тепла. Значит ли это, что каждая молекула газа получит по одному кванту? Нет. Возможно, три молекулы получат по одному кванту, одна — два, а последняя — ни одного. Или двум молекулам перейдут два кванта, одной — один, а две другие не получат ни одной. Вариантов развития событий в таком случае 126.

Каждая из возможных комбинаций называется микросостоянием, а общий уровень энергии — макросостоянием. Тогда энтропия — значение числа способов, мера вероятностей распределения энергии между молекулами в системе.

Формулировка закона энтропии в термодинамике

Исходным положением термодинамики является постулат о равновесии, суть которого заключается в том, что любая изолированная система со временем приходит в состояние термодинамического равновесия и самопроизвольно выйти из него не может.

Второй закон термодинамики связан с понятием энтропии. Он говорит о том, что энтропия Вселенной возрастает.

Есть два классических определения второго закона:

• Кельвина и Планка. Нет циклического процесса, который мог бы извлекать количество теплоты при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу.
• Клаузиуса. Нет процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Оба определения основываются на первом законе термодинамики, согласно которому энергия убывает.

Можно сделать следующие выводы:

• 100% энергии не может быть преобразовано в работу;
• энтропия может быть выработана, но не может быть уничтожена.

Энтропия в экономике

В экономике понятие энтропии объясняет непредвиденное развитие рынка. То есть экономическая цель не достигнута по причине того, что система оказалось неупорядоченной, неинформативной и так далее.

Движение денег в экономике происходит ассиметрично. Также если предположить, что деньги являются аналогом энергии, то второй закон термодинамики можно адаптировать следующим образом: не существует такой экономической системы, единственным итогом деятельности которой будет переход денег от рынка производителей к рынку потребителей.

Общая формула для экономической энтропии выглядит так:

\(dS = d Financial Resources / Price For The Resources \)

Энтропия в коммуникации

Понятие энтропии в коммуникации тесно связано с шумами. Шумы в коммуникации преодолеваются либо через многократное повторение одного и того же сообщения, либо через дублирование его через другие каналы связи.

Информация — противоположность энтропии, возможность уменьшения беспорядка. То есть чем более информации содержит система, тем более она является упорядоченной.

Примеры энтропии в разных сферах жизни

Рассмотрим данное понятие на примерах из жизни.

Представьте, что у вашего друга в руках десять игральных кубиков. Он их бросил и сказал вам, что сумма всех выпавших чисел равна 30. Но вы не знаете, какие конкретно числа ему выпали. Именно этой информации вам не хватает.

Тогда общая сумма в этом случае будет макросостоянием, а возможные комбинации чисел — микросостоянием. Для данной ситуации существует 2 930 455 микросостояний.

Частично снять вашу энтропию друг сможет, если сообщит, например, что сумма первой половины чисел равна 17, а второй — 13. Для первой половины есть 720 возможных комбинаций, а для второй — 420. Тогда для всего макросостояния существует 327 600 вариантов.

Как пример системы, увеличивающей энтропию, можно рассмотреть шкаф. Вы аккуратно сложили в него вещи, то есть упорядочили систему. Но даже если шкаф будет закрыт на долгие годы, одежда начнет разлагаться. То есть система будет увеличивать показатель своей энтропии.

Если нужна работа, связанная с понятием энтропии, или по какой-либо другой теме, обращайтесь в ФениксХелп.