Entropia: Miara Chaosu w Nauce i Życiu [ARTYKUŁ POPULARNONAUKOWY]

Entropia, choć często kojarzona z chaosem i nieuporządkowaniem, jest jednym z kluczowych pojęć w fizyce, które pozwala nam zrozumieć fundamentalne zasady zjawisk fizycznych i… życia codziennego.

Entropia, oznaczana literą S, jest miarą niepewności lub chaosu w danym systemie. W fizyce entropia jest wyrażona wzorem:

Entropia, oznaczana literą S, jest miarą niepewności lub chaosu w danym systemie. W fizyce statystycznej, entropia jest wyrażona wzorem:

S=k⋅lnW

gdzie:

S – entropia

k – stała Boltzmanna (ok. 1.38×10−23 J/K1.38×10−23J/K)

W – liczba mikrostanów, czyli różnych sposobów, w jaki dany mikrostan może zostać zrealizowany.

Entropia w Termodynamice

W termodynamice, druga zasada mówi, że entropia zamkniętego systemu nigdy nie maleje. Oznacza to, że procesy naturalne zachodzą w kierunku wzrostu entropii. Przykładem jest proces rozprzestrzeniania się ciepła:

Załóżmy, że mamy dwa ciała o różnych temperaturach T1​ i T2​ (gdzie T1​>T2​). Jeśli te ciała zostaną ze sobą połączone, ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze, aż oba ciała osiągną równowagę termiczną. Wzór opisujący ten proces to:

ΔS=Q/T/​

gdzie:

ΔS – zmiana entropii

Q – ilość przekazanego ciepła

T – średnia temperatura ciał

Entropia w Życiu Codziennym

Entropia ma także (a może przede wszystkim) swoje odzwierciedlenie w życiu codziennym.

1. Bałagan w pokoju

Przykładem może być pokój, który z czasem staje się w miarę korzystania z niego i braku sprzątania coraz bardziej nieuporządkowany. Aby zilustrować to matematycznie, załóżmy, że mamy pokój z 10 przedmiotami. Jeśli każdy przedmiot ma 2 możliwe położenia, liczba sposobów, w jakie można ułożyć przedmioty w pokoju (mikrostanów), wynosi 210210, co daje 1024 różne konfiguracje. Strach pomyśleć, co będzie, jeśli tych przedmiotów jest więcej.

2. Kostka Lodu w Pokoju

Załóżmy, że w ciepłym pokoju umieszczamy kostkę lodu. Z czasem kostka topi się, a woda paruje. Entropia w tym przypadku rośnie, ponieważ cząsteczki wody rozprzestrzeniają się w powietrzu. Możemy to przedstawić matematycznie:

ΔS=Q/T

Gdzie Q to ilość ciepła potrzebna do stopienia kostki lodu, a T to temperatura pokoju.

3. Tasowanie Kart

Kiedy tasujemy talię kart, zwiększamy jej entropię. Początkowo karty mogą być uporządkowane (np. od asa do ”dwójki”), ale po potasowaniu kolejność jest losowa. Jeśli talię składającą się z 52 kart potasujemy, liczba możliwych permutacji (mikrostanów) wynosi 52!, co daje około 8.07×10678.07×10 do potęgi 67 różnych kombinacji.

4. Rozbijanie Jajka

Kiedy rozbijamy jajko, zwiększamy jego entropię. Białko i żółtko mieszają się, tworząc bardziej nieuporządkowany układ. Choć trudno jest to przedstawić matematycznie, intuicyjnie rozumie się, że proces ten jest nieodwracalny i zwiększa chaos w systemie.  

Entropia, choć często postrzegana jako abstrakcyjne pojęcie fizyczne, ma wiele praktycznych odzwierciedleń w naszym codziennym życiu. Poprzez obserwację i analizę tych codziennych zjawisk możemy lepiej zrozumieć, jak wszystko dąży do stanu większego chaosu i nieuporządkowania.