Ентропія та її значення в різних науках

Визначення та історія появи терміна

Термін «ентропія» був введений в науку німецьким фізиком Рудольфом Клазіусом в далекому 1865 році. І введений був з метою описати здатність теплоти або теплової енергії перетворюватися в інші види енергії, головним чином в енергію механічну. При своєму народженні ентропія була нерозривно пов’язана з фізикою, а якщо бути ще точніше, то з термодинамікою – важливим розділом фізики, що вивчає теплові процеси. Але пізніше ентропія як наукове поняття почала використовуватися і в інших науках, більш того вона стала філософською сутністю. Про сенс ентропії в різних науках ми і поговоримо в нашій статті.

З грецької мови слово «ентропія» перекладається як «поворот, перетворення» і в науці має кілька визначень і значень. Почнемо зі значення ентропії в термодинаміці, але для початку давайте згадаємо про перший закон термодинаміки, який говорить, що енергія ні звідки не з’являється і ні куди не пропадає, вона лише переходить з одного виду в інший. Цей постулат також називають законом збереження енергії. А раз енергія нікуди не пропадає, і ні звідки не з’являється, то будь-яка термодинамічна система з часом приходить до рівноваги. Але часом рівновага ця може бути порушена: уявімо собі вулкан, який сотні років перебував у сплячому стані, але тут раптом в силу певних процесів, що відбуваються в ньому (вулкан в даному прикладі є термодинамічною системою) відбувається виверження.

Ті дивні процеси, які стали причиною виверження вулкана можна назвати ентропією цієї термодинамічної системи. Іншими словами ентропія – це міра хаосу в системі, ті процеси, які порушують (або потенційно можуть порушити) її рівновагу. Або якщо вже зовсім спростити, то ентропія характеризує те, як багато інформації про систему ми не знаємо. Говорячи філософською мовою ентропія – це міра нашого невігластва, незнання чого-небудь.

Види ентропії

Виходячи з вищесказаного визначення того, що таке ентропія зовсім не дивно, що поняття це прижилося не тільки у фізиці, але і в багатьох інших науках. Далі розберемо значення ентропії в різних наукових областях.

У статичній фізиці та математичній статистиці

У статичній фізиці, а також математичній статистиці під ентропією розуміють ймовірність здійснення будь-якої події або стану системи. У цих областях ентропія визначається статистично і часом так і називається – статистичною або ж інформаційною ентропією.

Якщо взяти як приклад злободенну тему, ймовірність появи нового штаму коронавірусу, то таку ймовірність також можна назвати статистичною ентропією. Так як на даний момент мікробіологи ще, на жаль, не володіють у своєму розпорядженні в повній мірі інформацією про те, що служить причиною появи нових штамів цієї хвороби, а значить, їх незнання в цій області можна сміливо охарактеризувати поняттям ентропії.

У фізичній хімії (термодинаміці)

Повернемося ще раз до термодинаміки, як було сказано ентропія це міра безладу в термодинамічній системі, а раз так, то повинен бути спосіб визначити цей безлад. І він є, для цього треба приписати кожному можливому стану системи число варіантів, яким цей стан можна реалізувати. Чим більше буде таких варіантів, значить тим більше рівень ентропії в системі.

Якщо ми говоримо саме про термодинамічну систему, то все сказане можна записати формулою ентропії:

S = Q / T

Де S- рівень ентропії термодинамічної системи, Q – кількість переданого тепла в цій же системі, T – температура, при якій відбувається процес зміни стану системи.

Зазвичай при нагріванні системи рівень ентропії зростає, а при охолодженні навпаки зменшується.

В економіці та фінансах

Важливе місце ентропія як міра хаосу системи займає і в економіці, де хаосу часом вистачає з надлишком. Економісти використовують спеціальний термін – коефіцієнт ентропії, за допомогою нього досліджують стан того чи іншого ринку. Чим більше значення коефіцієнта ентропії, тим більше нестабільним, непрогнозованим є той чи інший ринок. Наприклад, ціна біткойнов або акцій якої-небудь компанії або валюти якої-небудь країни, чим вище коефіцієнт ентропії на цьому ринку, тим більша ймовірність, що ціна може як різко вирости вгору, так і обвалитися вниз.

Приклади в різних сферах життя

Що ж стосується прикладів ентропії з нашого реального життя, то їх можна привести величезну кількість. Більш того, можна навіть сказати, що все наше життя є в якомусь сенсі великою ентропією, так як те, що ми знаємо, є лише малою краплею того, що ми не знаємо. Або як говорив великий давньогрецький філософ Сократ: «я знаю, що я нічого не знаю», перефразовуючи слова мудрого грека можна сказати, що «все наше життя – суцільна ентропія».

Тепер до прикладів, чим краще порядок на робочому столі, тим більше можна дізнатися інформації про речі, які на ньому зберігаються, але якщо на робочому столі навпаки повний бардак, то розібратися що де лежить вже не так просто, а значить і рівень ентропії в такій «системі» буде високий.

Загалом якщо вас сварять за бардак в кімнаті, скажіть, що ви просто підтримуєте рівень ентропії в системі. А ще краще все ж приберіться…

Ще приклад: молекула води H₂O в рідкому агрегатному стані володіє набагато більшим рівнем ентропії, ніж коли вона заморожена у вигляді льоду. Так як в твердому замороженому стані в кристалічній решітці всі молекули води займають своє строго певне положення, в той час коли в рідкому стані вони безладно рухаються відносно один одного, збільшуючи рівень ентропії. Те саме можна сказати про учнів в школі на уроці і під час перерви, під час перерви рівень ентропії учнів вище, ніж на уроці коли вони всі сидять за партами і уважно слухають вчителя.

Висновок

Підводячи підсумки можна сказати, що глобально ентропія це міра безладу, невпорядкованості, хаосу всякої системи, а також в якомусь сенсі міра нашого невігластва, незнання. Тоді протилежністю ентропії буде інформація, знання. Пізнання, що зменшує наше невігластво, зменшує і ентропію, дозволяючи нам упорядкувати, перш за все, наші знання, а вони в свою чергу ведуть до розвитку людської цивілізації, і зменшення хаосу навколо. Людина XXI століття знає в рази більше, ніж який-небудь неандерталець кам’яного віку, що жив в печері, і хаосу в житті сучасної людини менше ніж в житті неандертальця. Але все ж він хаос, ентропія є і в нашому житті, повністю перемогти її, на жаль, напевно не можливо, але ось зменшити ентропію до прийнятного рівня – це цілком в наших силах.

Цікава література по темі

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: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора