Энтропия — что это такое простыми словами

Определение

Энтропия (в переводе с древнегреческого – поворот, превращение) – это мера, степень неупорядоченности (хаоса) какой-либо системы. Используется в следующих точных и естественных науках:

• В математике означает поиск логарифма числа доступных состояний системы;
• В статистической науке – вероятностная величина наступления любого макроскопического состояния системы;
• В термодинамике (физика) – степень необратимой диффузии энергии, т.е. стандартная величина ее потерь, которые неизбежны при взаимодействии более горячего тела с более холодным;
• В информатике – означает информационную емкость системы. Интересным фактом является следующее: Клод Шеннон (основоположник этого термина в информационной теории) первоначально думал назвать энтропию информацией.

Просто о сложном

Энтропия – это понятие, которое используется не в одной области человеческой деятельности, поэтому определения её может быть несколько размытым. Данный термин отображает величину, и суть её можно разобрать на простых примерах. Энтропия – это степень беспорядка, степень неопределенности и неупорядоченности.

Энтропию высокой степени можно представить наглядно как улицу с разбросанными клочьями бумаги. Если бумаги сложены аккуратно в стопку, то система упорядочена, и энтропия при этом имеет низкую степень. Показатели энтропии необходимо понижать, и для этого следует затратить немало времени, склеить бумаги по кусочкам и собрать их в стопку.

Если имеет место энтропия закрытой системы, то здесь также все просто. Закрытую систему можно представить себе как закрытый шкаф, если вещи в нем разбросаны, то воздействовать на них извне не получиться, и хаос в шкафу будет присутствовать длительное время.

Со временем вещи разложатся, и это приведет к порядку, но вещам необходимо долго разлагаться, к примеру, для шерстяного носка понадобиться 5 лет, а для кожаной обуви – около 40 лет. В приведенном примере шкаф выступает в качестве изолированной системы, а разложение вещей в нем – это наведение порядка в структурах.

Минимальной является энтропия, которая касается макроскопических объектов, их можно наблюдать невооруженным глазом. Что же касается более высоких показателей, то зачастую их имеет вакуум.

История возникновения

Впервые понятие энтропии было введено в эпоху развития термодинамики, когда возникла необходимость в изучении процессов, происходящих внутри термодинамических тел. В 1865 году ученый-физик из Германии Рудольф Клаузиус этим термином описал состояние системы, в котором теплота имеет способность преобразовываться в иные виды энергии (механическую, химическую, световую и т.д.).

Прирост энтропии вызван притоком тепловой энергии в систему и связан с температурой, при которой этот приток возникает. Необходимость этой величины была вызвана тем, что вся физика строится на идеализации абстрактных объектов (идеальный маятник, равномерное движение, масса и т.д.).

В бытовом понимании энтропия представляет собой степень хаотичности и неопределенности системы: чем больше в системе упорядоченности, и чем больше ее элементы подчинены какому-либо порядку, тем меньше энтропия.

Пример: Шкаф – это определенная система. Если в нем все вещи лежат на своих местах, то энтропия меньше. Если же все вещи разбросаны и лежат не на своих полках, то соответственно она становится больше.

С этим термином тесно связана тепловая функция энтальпии – характеризует состояние термодинамической системы в состоянии равновесия при выборе ряда независимых переменных, таких как давление, энтропия и число частиц.

Величина, противоположная энтропии, называется экстропией.

Виды энтропий

Этот термин используется в термодинамике, экономике, теории информации и даже в социологии. Что же он определяет в этих областях?

В физической химии (термодинамике)

Основной постулат термодинамики о равновесии: любая изолированная термодинамическая система приходит в равновесное состояние с течением времени и не может из него выйти самопроизвольно. То есть каждая система стремится в равновесное для неё состояние. И если говорить совсем простыми словами, то такое состояние характеризуется беспорядком.

Энтропия — это мера беспорядка. Как определить беспорядок? Один из способов — приписать каждому состоянию число вариантов, которыми это состояние можно реализовать. И чем больше таких способов реализации, тем больше значение энтропии. Чем больше организованно вещество (его структура), тем ниже его неопределённость (хаотичность).

Абсолютное значение энтропии (S абс.) равно изменению имеющейся у вещества или системы энергии во время теплопередачи при данной температуре. Его математическая величина определяется из значения теплопередачи (Q), разделённого на абсолютную температуру (T), при которой происходит процесс: S абс. = Q / T. Это означает, что при передаче большого количества теплоты показатель S абс. увеличится. Тот же эффект будет наблюдаться при теплопередаче в условиях низких температур.

В экономике

В экономике используется такое понятие, как коэффициент энтропии. С помощью этого коэффициента исследуют изменение концентрации рынка и её уровень. Чем выше значение коэффициента, тем выше экономическая неопределённость и, следовательно, вероятность появления монополии снижается. Коэффициент помогает косвенно оценить выгоды, приобретённые фирмой в результате возможной монопольной деятельности или при изменении концентрации рынка.

В статистической физике или теории информации

Информационная энтропия (неопределённость)— это мера непредсказуемости или неопределённости некоторой системы. Эта величина помогает определить степень беспорядочности проводимого эксперимента или события. Чем больше количество состояний, в которых может находиться система, тем больше значение неопределённости. Все процессы упорядочивания системы приводят к появлению информации и снижению информационной неопределённости.

С помощью информационной непредсказуемости можно выявить такую пропускную способность канала, которая обеспечит надёжную передачу информации (в системе закодированных символов). А также можно частично предсказывать ход опыта или события, деля их на составные части и высчитывая значение неопределённости для каждой из них. Такой метод статистической физики помогает выявить вероятность события. С его помощью можно расшифровать закодированный текст, анализируя вероятность появления символов и их показатель энтропии.

Существует такое понятие, как абсолютная энтропия языка. Эта величина выражает максимальное количество информации, которое можно передать в единице этого языка. За единицу в этом случае принимают символ алфавита языка (бит).

В социологии

Здесь энтропия (информационная неопределённость) является характеристикой отклонения социума (системы) или его звеньев от принятого (эталонного) состояния, а проявляется это в снижении эффективности развития и функционирования системы, ухудшении самоорганизации. Простой пример: сотрудники фирмы так сильно загружены работой (выполнением большого количества отчётов), что не успевают заниматься своей основной деятельностью (выполнением проверок). В этом примере мерой нецелесообразного использования руководством рабочих ресурсов будет являться информационная неопределённость.

Как энтропия проявляется в нашей жизни

С помощью энтропии можно объяснить многие непонятные и удивительные факты, например:

Почему наша жизнь так необыкновенна

Представьте человеческий организм. Атомы, из которых состоит тело, могли бы сложиться практически в бесконечное количество вариантов и не создать никакой формы жизни. C точки зрения математики, вероятность нашего существования очень мала. И всё-таки мы существуем.

Во Вселенной, где всем заправляет энтропия, наличие жизни с такой чёткой устойчивой организацией поразительно.

Почему нам нравятся искусство и красота

С помощью энтропии можно объяснить, почему искусство и красота кажутся нам такими эстетически привлекательными. Художник создаёт особую форму порядка и симметрии, какую Вселенная, скорее всего, никогда не породила бы самостоятельно. Число красивых комбинаций гораздо меньше общего количества всех комбинаций. Красота — редкость во Вселенной, полной беспорядка. Поэтому симметричное лицо редко и красиво, ведь несимметричных вариантов несравнимо больше.

Почему идеальные для себя условия нужно не найти, а создать

У каждого из нас свои таланты, навыки и интересы. Но общество и культура, в которых мы живём, не создавались специально под нас. Помня об энтропии, подумайте, каковы шансы, что условия, в которых вы выросли, идеальны для раскрытия ваших талантов?

Крайне маловероятно, что жизнь создаст для вас ситуацию, идеально подходящую под ваши способности. Скорее всего, вы окажетесь в положении, не совсем соответствующем вашим навыкам и потребностям.

Мы обычно описываем такое состояние, как «не в своей тарелке», «не в своей стихии». Естественно, в таких условиях гораздо сложнее добиться успеха, принести пользу, победить. Зная это, мы должны сами создавать для себя идеальные условия жизни.Сложности в жизни возникают не потому, что планеты так выстроились, и не потому, что какие-то высшие силы сговорились против вас. Это просто действует закон энтропии. Состояний беспорядка гораздо больше, чем упорядоченных. Учитывая всё это, удивительно не то, что в жизни есть проблемы, а то, что мы можем их разрешать.

Уравнение и расчет энтропии

Существует несколько способов вычисления энтропии. Но два наиболее распространенных уравнения относятся к обратимым термодинамическим и изотермическим процессам (с постоянной температурой).

Энтропия и тепловая смерть Вселенной

Некоторые ученые предсказывают, что энтропия Вселенной возрастет до такой степени, что создаст систему, неспособную к полезной работе. И останется только тепловая энергия. Вселенная, по их словам, умрет от тепловой смерти.

Однако другие ученые оспаривают теорию тепловой смерти. Они утверждают, что Вселенная как система движется все дальше и дальше от энтропии. Даже если энтропия внутри ее некоторых внутренних областей
увеличивается.

Другие считают Вселенную частью еще большей системы. Третьи говорят, что возможные состояния не имеют равной вероятности. Поэтому обычные уравнения для вычисления энтропии не имеют никакого значения.

Самые распространенные формулировки энтропии в физике

Многие известные физики пытались доступным для простых людей объяснить понятие энтропии. Выделим 3 наиболее известные формулировки объяснения.

Утверждение Клаузиуса

Нагрев тела с более высокой температурой невозможен посредством тела с более низкой температурой.

На примере это выглядит так — поставить чайник с водой на кусок льда можно (априори температура воды выше температуры льда), но дождаться, что вода закипит не получится. Хотя первые 2 начала термодинамики не отрицают подобной возможности.

Формулировка Томсона

В замкнутой системе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы работа, совершаемая за счет тепловой энергии полученной от какого-либо тела.

Утверждение Больцмана

Уменьшение энтропии в замкнутой системе невозможно.

Эта формулировка вызывает множество споров, хотя интуитивно все понятно. В заброшенном жилище будет нарастать хаос — осядет пыль, некоторые вещи развалятся. Навести порядок можно, но только приложив внешнюю энергию, то есть работу уборщика.

Проблема в том, что Вселенная в современных представлениях является замкнутой системой. Образовалась она где-то 14-15 миллиардов лет назад. За это время ее энтропия привела бы к тому, что галактики распались, звезды погасли и никаких новых звезд не появилось бы в принципе. А ведь нашему Солнцу не больше 5 миллиардов лет, да и Вселенная в целом не пришла в состояние хаоса.

Энтропия: тезисно и на примерах

Пример. Программа Т9. Если в слове будет небольшое количество опечаток, то программа легко распознает слово и предложит его замену. Чем больше опечаток, тем меньше информации о вводимом слове будет у программы. Следовательно, увеличение беспорядка приведёт к увеличению информационной неопределённости и наоборот, чем больше информации, тем меньше неопределённость.

Пример. Игральные кости. Выкинуть комбинацию 12 или 2 можно только одним способом: 1 плюс 1 или 6 плюс 6. А максимальным числом способов реализуется число 7 (имеет 6 возможных комбинаций). Непредсказуемость реализации числа семь самая большая в этом случае.

• В общем смысле энтропию (S) можно понимать как меру распределения энергии. При низком значении S энергия сконцентрирована, а при высоком — распределена хаотично.

Пример. Н2О (всем известная вода) в своём жидком агрегатном состоянии будет обладать большей энтропией, чем в твёрдом (лёд). Потому что в кристаллическом твёрдом теле каждый атом занимает определённое положение в кристаллической решётке (порядок), а в жидком состоянии у атомов определённых закреплённых положений нет (беспорядок). То есть тело с более жёсткой упорядоченностью атомов имеет более низкое значение энтропии (S). Белый алмаз без примесей обладает самым низким значением S по сравнению с другими кристаллами.

Пример. Молекула находится в сосуде, который имеет левую и правую часть. Если неизвестно, в какой части сосуда находится молекула, то энтропия (S) будет определяться по формуле S = S max = k * lgW, где k -число способов реализации, W- количество частей сосуда. Информация в этом случае будет равна нулю I = I min =0. Если же точно известно, в какой части сосуда находится молекула, то S = S min =k*ln1=0, а I = I max= log 2 W. Следовательно, чем больше информации, тем ниже значение информационной неопределённости.

Пример. Чем выше порядок на рабочем столе, тем больше информации можно узнать о вещах, которые на нём находятся. В этом случае упорядоченность предметов снижает энтропию системы «рабочий стол».

Пример. Информация о классе больше на уроке, чем на перемене. Энтропия на уроке ниже, так как ученики сидят упорядочено (больше информации о местоположении каждого ученика). А на перемене расположение учеников меняется хаотично, что повышает их энтропию.

Пример. При реакции щелочного металла с водой выделяется водород. Водород-это газ. Так как молекулы газа движутся хаотично и имеют высокую энтропию, то рассматриваемая реакция происходит с увеличением её значения.

Из бытовой жизни:

1. При написании sms-сообщений на мобильном телефоне мы часто пользуемся программой Т9. Чем меньше ошибок в печатаемом нами слове, тем процесс его распознания программой будет легче и она быстрее предложит нам его замену. Вывод: чем больше беспорядка, тем больше информационная неопределенность.
2. Когда мы бросаем два кубика при игре в кости, существует только один способ выкинуть комбинацию 2 или 12 (1 и 1, 6 и 6). Самое максимальное число способов выкинуть число 7 (6 вероятных комбинаций). Непредсказуемость в данном случае будет максимальной.
3. Информация о количестве учеников больше в течение урока, чем во время перемены. Поскольку на уроке каждый ученик сидит на своем месте, то энтропия ниже. За пределами класса для передвижения школьников характерна хаотичность, что ведет к увеличению значения энтропии.
4. Если прибрать на рабочей парте, разложить предметы по своим местам, то можно больше получить информации о том или ином предмете, находящемся на ней. Упорядоченность вещей на парте снижает величину энтропии.

Энтропия: что это такое простыми словами

Русский язык, как и любой другой, постоянно изменяется под прессом постоянного технологического заимствования и сотрудничества с другими государствами. Благодаря этому, наш язык богат на различные иноязычные заимствования.

Одним из относительно новых слов в русском языке стало слово «энтропия», которое встречалось многим из нас, но далеко не каждый понимает, что же оно на самом деле значит.

Что такое энтропия простыми словами

Чаще всего слово «энтропия» встречается, конечно же, в классической физике. Это одно из самых сложных понятий данной науки, поэтому даже студенты физических вузов нередко сталкиваются с проблемами при восприятии данного термина.

Это не совсем точная аналогия, поэтому для уточнения приведем ещё один пример. Допустим, мы с вами возьмем десять игральных шестигранных кубиков. Бросим их все по очереди, а затем я сообщу вам сумму выпавших показателей – тридцать.

Исходя из суммы всех результатов, вы не сможете точно сказать, какая цифра и на каком кубике выпала – вам банально не хватает для этого данных. В нашем случае каждая выпавшая цифра на языке физиков будет называться микросостоянием, а сумма, равная тридцати, на всё том же физическом наречии будет именоваться макросостоянием.

Если мы посчитаем, сколько возможных микросостояний могут нам в сумме дать три десятка, то придем к выводу, что их количество достигает почти трёх миллионов значений. Используя специальную формулу, мы можем посчитать и показатель энтропии в данном вероятностном эксперименте – шесть с половиной.

Откуда взялась половина, возможно, спросите вы? Эта дробная часть появляется из-за того, что при нумерации в седьмом порядке мы можем оперировать лишь тремя числами – 0, 1 и 2.

Современное слово «энтропия» имеет греческие корни, поэтому из-за перевода её нередко называют «мерой хаоса». Допустим, вы решили устроить у себя в квартире застолье по поводу дня рождения маленькой дочери.

Энтропия во Вселенной

По прогнозам астрофизиков, один из вариантов развития Вселенной – это тепловая смерть.

Наша вселенная представляет собой (представьте, насколько прозорливыми были в этом плане древние греки) сущий хаос, в котором постоянно что-нибудь происходит: рождаются и умирают звезды, образуются новые галактики, короче, красота! В один прекрасный момент энтропия Вселенной достигнет максимума и происходить в ней станет попросту нечему. Вот вам и смерть от безделья.

Хаосом пронизан весь космос, вся наша природа, вплоть до атомов и элементарных частиц. Всё находится в постоянном движении и взаимодействии, словно прекрасно сработанный механизм. А управляют всеми этими процессами законы, которые мы, жалкие людишки, можем выразить не менее прекрасным математическим языком.

Но как же при таком уровне энтропии (то есть, хаоса) во Вселенной вообще могло что-либо возникнуть? Ответ на этот вопрос крайне прост. Вся материя передает уровень своей энтропии своему же окружению, всему, до чего могут дотянуться.

Например, для регуляции уровня энтропии на Земле – звезда по имени Солнце постоянно снабжает нас энергией, которую производит за счет непрекращающейся термоядерной реакции на ее поверхности.

Энтропией и хаосом пропитано всё, что нас окружает и даже то, что находится внутри нас. В газах и жидкостях энтропия играет ключевые роли, даже наши сиюминутные желания и порывы на самом деле являются ничем иным, как порождением всеобщего вселенского хаоса.

Не сложно прийти в очередной раз к красивейшему выводу: Вселенная, сколько огромна бы она ни была, представляет собой совокупность бесконечного количества частичек самой разнообразной величины и не менее разнообразных свойств.

Всё в ней от элементарного бозона до Альфа Центавры и целых галактик связано незаметными нитями. Подобные открытия физиков поражают не только своей сложностью, но и красотой.

Казалось бы, обычные математические и физические формулы на досках небритых задумчивых мужчин в очках являются ключевыми факторами для нашего познания самих и себя и нашего места в огромной Вселенной.

Надеемся, что данная статья помогла вам прояснить, чем же на самом деле является энтропия, в каких случаях данное слово используется, а также к чему открытие данного показателя привело ученых и философов.

Кто знает, быть может прочтение этой статьи вдохновит вас на целенаправленное изучение этой прекрасной науки – физики. Так или иначе, интересоваться наукой современному человеку просто жизненно необходимо, хотя бы для собственного развития.

В заключение

Если объединить всё вышесказанное, то получится, что энтропия является мерой беспорядка или неопределённости системы и её частей. Интересен тот факт, что всё в природе стремится к максимуму энтропии, а человек — к максимуму информации.