Энтропия и ее значение в разных науках

Определение и история появления термина

Термин «энтропия» был введен в науку немецким физиком Рудольфом Клазиусом в далеком 1865 году. И введен был с целью описать способность теплоты или тепловой энергии превращаться в другие виды энергии, главным образом в энергию механическую. При своем рождении энтропия была неразрывно связана с физикой, а если быть еще точнее, то с термодинамикой – важным разделом физики, изучающим тепловые процессы. Но в последствие энтропия как научное понятие начала использоваться и в других науках, более того она стала философской сущностью. О смысле энтропии в разных науках мы и поговорим в нашей статье.

С греческого языка слово «энтропия» переводится как «поворот», «превращение» и в науке имеет несколько определений и значений. Начнем со значения энтропии в термодинамике, но для начала давайте вспомним о первом законе термодинамике, который гласит, что энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой. Этот постулат также называют законом сохранения энергии. А раз энергия никуда не пропадает, и ни откуда не появляется, то любая термодинамическая система со временем приходит к равновесию. Но порой равновесие это может быть нарушено: представим себе вулкан, который сотни лет пребывал в спящем состоянии, но тут вдруг в силу определенных процессов, происходящем в нем (вулкан в данном примере является термодинамической системой) происходит извержение.

Те странные процессы, которые стали причиной извержения вулкана можно назвать энтропией этой термодинамической системы. Иными словами энтропия – это мера хаоса в системе, те процессы, которые нарушают (или потенциально могут нарушить) ее равновесие. Или если уж совсем упростить, то энтропия характеризует то, как много информации о системе мы не знаем. Говоря философским языком энтропия — это мера нашего невежества, незнания чего-либо.

Виды энтропии

Исходя из вышесказанного определения того, что такое энтропия вовсе не удивительно, что понятие это прижилось не только в физике, но и во многих других науках. Далее разберем значение энтропии в разных научных областях.

В статической физике и математической статистике

В статической физике, а также математической статистике под энтропией понимают вероятность осуществления какого-либо события или состояния системы. В этих областях энтропия определяется статистически и порой так и называется – статистической или же информационной энтропией.

Если взять в качестве примера злободневную тему, вероятность появления нового штамма коронавируса, то такую вероятность также можно назвать статистической энтропией. Так как на данный момент микробиологи еще, к сожалению, не располагают в полной мере информацией о том, что служит причиной появление новых штаммов этой болезни, а значит, их незнание в этой области можно смело охарактеризовать понятием энтропии.

В физической химии (термодинамике)

Вернемся еще раз к термодинамике, как было сказано энтропия это мера беспорядка в термодинамической системе, а раз так, то должен быть способ определить этот беспорядок. И он есть, для этого надо приписать каждому возможному состоянию системы число вариантов, которым это состояние можно реализовать. Чем больше будет таких вариантов, значит тем больше уровень энтропии в системе.

Если мы говорим именно о термодинамической системе, то все сказанное можно записать формулой энтропии:

S = Q / T

Где S – уровень энтропии термодинамической системе, Q – количество переданного тепла в этой же системе, T – температура, при которой происходит процесс изменения состояния системы.

Обычно при нагревании системы уровень энтропии возрастает, и при охлаждении наоборот уменьшается.

В экономике и финансах

Важное место энтропия как мера хаоса системы занимает и в экономике, где хаоса порой хватает с избытком. Экономисты используют специальный термин – коэффициент энтропии, с помощью него исследуют состояние того или иного рынка. Чем больше значение коэффициента энтропии, тем больше нестабильным, непрогнозируемым является тот или иной рынок. Например, цена биткойна или акций какой-нибудь компании или валюты какой-нибудь страны, чем выше коэффициент энтропии на этом рынке, тем больше вероятность, что цена может как резко вырасти вверх, так и обваливаться вниз.

Примеры в разных сферах жизни

Что же касается примеров энтропии из нашей реальной жизни, то их можно привести огромное количество. Более того, можно даже сказать, что вся наша жизнь является в каком-то смысле большой энтропией, так как то, что мы знаем, является лишь малой каплей того, что мы не знаем. Или как говорил великий древнегреческий философ Сократ: «Я знаю, что я ничего не знаю», перефразируя слова мудрого грека можно сказать, что «вся наша жизнь – сплошная энтропия».

Теперь к примерам, чем лучше порядок на рабочем столе, тем больше можно узнать информации о вещах, которые на нем хранятся, но если на рабочем столе наоборот полный бардак, то разобраться что где лежит уже не так просто, а значит и уровень энтропии в такой «системе» будет высокий.

В общем если вас ругают за бардак в комнате, скажите, что вы просто поддерживаете уровень энтропии в системе. А еще лучше все же приберитесь…

Еще пример: молекула воды H₂O в жидком агрегатном состоянии обладает гораздо большим уровнем энтропии, нежели когда она заморожена в виде льда. Так как в твердом замороженном состоянии в кристаллической решетке все молекулы воды занимают свое строго определенное положение, в то время когда в жидком состоянии они беспорядочно двигаются относительно друг друга, увеличивая уровень энтропии. Тоже можно сказать об учениках в школе на уроке и во время перемены, во время перемены уровень энтропии учеников выше, чем на уроке когда они все сидят за партами и внимательно слушают учителя.

Выводы

Подводя итоги можно сказать, что глобально энтропия это мера беспорядка, неупорядоченности, хаоса всякой системы, а также в каком-то смысле мера нашего невежества, незнания. Тогда противоположностью энтропии будет информация, знание. Познание, уменьшающее наше невежество, уменьшает и энтропию, позволяя нам упорядочить, прежде всего, наши знания, а они в свою очередь ведут к развитию человеческой цивилизации, и уменьшению хаоса вокруг. Человек XXI века знает в разы больше, чем какой-нибудь неандерталец каменного века, живущий в пещере, и хаоса в жизни современного человека меньше чем в жизни неандертальца. Но все же он хаос, энтропия есть и в нашей жизни, полностью победить ее, к сожалению, наверное не возможно, но вот уменьшить энтропию до приемлемого уровня – это вполне в наших силах.

Интересная литература по теме

1. Шамбадаль П. Развитие и приложение понятия энтропии. — М.: Наука, 1967.
2. Мартин Н., Ингленд Дж. Математическая теория энтропии. — М.: Мир, 1988.
3. Джейнс Э. Т. О логическом обосновании методов максимальной энтропии // ТИИЭР. — 1982. — Т. 70, вып. 9. — С. 33—51.
4. Клаузиус Р. Механическая теория тепла. — М.—Л. : Гостехиздат, 1934. — С. 70—158.
5. Н. Д. Фреїк, Н. Б. Ільків (2011). Ентропія у поглядах природничих наук. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора