What is entropy? - Jeff Phillips

Τι είναι η εντροπία; - Τζεφ Φίλιπς

Μετάφραση: Maria Boura Επιμέλεια: Maria K.

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

Υπάρχει μια έννοια κρίσιμης σημασίας για τη χημεία και τη φυσική.

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

Μας βοηθάει να εξηγήσουμε γιατί οι φυσικές διαδικασίες

ακολουθούν μία κατεύθυνση, κι όχι την αντίθετη:

why ice melts,

γιατί λιώνει ο πάγος,

why cream spreads in coffee,

γιατί η κρέμα απλώνεται στον καφέ,

why air leaks out of a punctured tire.

γιατί ο αέρας διαφεύγει από ένα σκασμένο λάστιχο.

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

Αυτή η έννοια είναι η εντροπία,

και είναι εξαιρετικά δύσκολο να την καταλάβουμε.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Η εντροπία συχνά περιγράφεται ως ένα μέτρο της αταξίας.

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

Αυτή είναι μια βολική περιγραφή, αλλά δυστυχώς μας παραπλανεί.

For example, which is more disordered -

Για παράδειγμα, τι είναι πιο ακατάστατο -

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

μια κούπα σπασμένου πάγου, ή ένα ποτήρι με νερό σε θερμοκρασία δωματίου;

Most people would say the ice,

Οι περισσότεροι θα έλεγαν ο πάγος,

but that actually has lower entropy.

αλλά αυτό στην πραγματικότητα έχει χαμηλότερη εντροπία.

So here's another way of thinking about it through probability.

Ορίστε, λοιπόν, ένας άλλος τρόπος να το καταλάβουμε με τη χρήση πιθανοτήτων.

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

Αυτό ίσως να είναι πιο δύσκολο στην κατανόηση,

αλλά πάρτε λίγο χρόνο για να το επεξεργαστείτε

and you'll have a much better understanding of entropy.

και θα καταλάβετε πολύ καλύτερα την εντροπία.

Consider two small solids

Φανταστείτε δύο μικρά στερεά αντικείμενα

which are comprised of six atomic bonds each.

τα οποία αποτελούνται από έξι ατομικούς δεσμούς το καθένα.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

Σε αυτό το μοντέλο η ενέργεια κάθε στερεού είναι αποθηκευμένη στους δεσμούς.

Those can be thought of as simple containers,

Μπορούμε να τα φανταστούμε ως απλά δοχεία,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

που μπορούν να περιέχουν άτμητες ποσότητες ενέργειας, γνωστές ως κβάντα.

The more energy a solid has, the hotter it is.

Όσο περισσότερη ενέργεια έχει ένα στερεό, τόσο πιο ζεστό είναι.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

Και η ενέργεια μπορεί να κατανεμηθεί στα δύο στερεά με πολλούς τρόπους,

in the two solids

and still have the same total energy in each.

αλλά πάντα με την ίδια συνολική ενέργεια στο καθένα.

Each of these options is called a microstate.

Κάθε μία από αυτές τις καταστάσεις ονομάζεται μικροκατάσταση.

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

Για 6 κβάντα ενέργειας στο Στερεό Α και 2 στο Στερεό Β,

there are 9,702 microstates.

υπάρχουν 9.702 μικροκαταστάσεις.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

Βέβαια, υπάρχουν κι άλλοι πιθανοί τρόποι να διανεμηθούν τα 8 κβάντα μας.

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

Για παράδειγμα, όλη η ενέργεια θα μπορούσε να είναι στο Στερεό Α

και καθόλου στο Στερεό Β, ή μισή στο Α και μισή στο Β.

or half in A and half in B.

If we assume that each microstate is equally likely,

Αν υποθέσουμε πως κάθε μικροκατάσταση είναι εξίσου πιθανή,

we can see that some of the energy configurations

βλέπουμε πως μερικές από τις ενεργειακές καταστάσεις

have a higher probability of occurring than others.

έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να προκύψουν απ' ό,τι άλλες.

That's due to their greater number of microstates.

Αυτό ισχύει λόγω του μεγαλύτερου αριθμού μικροκαταστάσεων.

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

Η εντροπία είναι ένας άμεσος τρόπος μέτρησης

της πιθανότητας εμφάνισης κάθε ενεργειακής κατάστασης.

What we see is that the energy configuration

Αυτό που βλέπουμε είναι ότι η ενεργειακή κατάσταση

in which the energy is most spread out between the solids

στην οποία η ενέργεια είναι κατανεμημένη κατά το μέγιστο στο στερεό

has the highest entropy.

έχει τη μεγαλύτερη εντροπία.

So in a general sense,

Γενικά, λοιπόν, μπορούμε να φανταστούμε την εντροπία

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

ως μέτρηση αυτής της ενεργειακής χωρικής κατανομής.

Low entropy means the energy is concentrated.

Χαμηλή εντροπία σημαίνει ότι η ενέργεια είναι συγκεντρωμένη.

High entropy means it's spread out.

Υψηλή εντροπία σημαίνει ότι είναι απλωμένη.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Για να δούμε γιατί η εντροπία χρησιμεύει στην επεξήγηση αυθόρμητων διαδικασιών,

like hot objects cooling down,

όπως η ψύξη ζεστών αντικειμένων,

πρέπει να κοιτάξουμε ένα δυναμικό σύστημα όπου η ενέργεια κινείται.

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

In reality, energy doesn't stay put.

Στην πραγματικότητα, η ενέργεια δεν παραμένει σταθερή·

It continuously moves between neighboring bonds.

συνεχώς μετακινείται ανάμεσα σε γειτονικούς δεσμούς.

As the energy moves,

Καθώς η ενέργεια κινείται, η ενεργειακή κατάσταση μπορεί να αλλάξει.

the energy configuration can change.

Because of the distribution of microstates,

Εξαιτίας της κατανομής των μικροκαταστάσεων,

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

υπάρχει 21% πιθανότητα το σύστημα να βρεθεί αργότερα στην κατάσταση

in which the energy is maximally spread out,

όπου η ενέργεια είναι χωρικά εξαπλωμένη κατά το μέγιστο,

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

υπάρχει 13% πιθανότητα να επιστρέψει στην αρχική κατάσταση,

and an 8% chance that A will actually gain energy.

και 8% πιθανότητα το στερεό Α να αποκτήσει κι άλλη ενέργεια.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

Και πάλι βλέπουμε πως, επειδή υπάρχουν περισσότεροι τρόποι να έχουμε

and high entropy than concentrated energy,

διάχυτη ενέργεια και υψηλή εντροπία απ' ό,τι συγκεντρωμένη ενέργεια,

the energy tends to spread out.

η ενέργεια τείνει να απλώνεται.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

Γι' αυτό αν βάλετε ένα καυτό αντικείμενο κοντά σε ένα κρύο,

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

το κρύο θα ζεσταθεί και το καυτό θα κρυώσει.

But even in that example,

Αλλά ακόμα και σε αυτό το παράδειγμα, υπάρχει μια πιθανότητα 8%

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

το καυτό αντικείμενο να γίνει ακόμα πιο καυτό.

Why doesn't this ever happen in real life?

Γιατί δεν συμβαίνει αυτό ποτέ στην πραγματική ζωή;

It's all about the size of the system.

Όλα έχουν να κάνουν με το μέγεθος του συστήματος.

Τα υποθετικά στερεά μας έχουν μόνο έξι δεσμούς το καθένα.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

Ας μεγεθύνουμε τα στερεά στις 6.000 και 8.000 μονάδες ενέργειας,

and again start the system with three-quarters of the energy in A

και να ξαναρχίσουμε το σύστημα με τρία τέταρτα ενέργειας στο Α

and one-quarter in B.

και ένα τέταρτο στο Β.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Τώρα βρίσκουμε πως η πιθανότητα

το στερεό Α να αποκτήσει αυθόρμητα περισσότερη ενέργεια

is this tiny number.

είναι αυτός ο μικροσκοπικός αριθμός.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

Τα καθημερινά μας αντικείμενα έχουν πολλά παραπάνω σωματίδια

απ' ό,τι αυτό.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

Στον πραγματικό κόσμο η πιθανότητα ένα καυτό αντικείμενο να γίνει ακόμα πιο καυτό

is so absurdly small,

είναι τόσο εξαιρετικά μικρή, που απλώς δε συμβαίνει ποτέ.

it just never happens.

Ice melts,

Ο πάγος λιώνει,

cream mixes in,

η κρέμα διαλύεται,

and tires deflate

και το λάστιχο ξεφουσκώνει,

because these states have more dispersed energy than the originals.

επειδή αυτές οι καταστάσεις

έχουν πιο απλωμένη ενέργεια απ' ό,τι οι αρχικές.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

Δεν υπάρχει κάποια μυστηριώδης δύναμη

που να ωθεί το σύστημα προς υψηλότερη εντροπία.

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

Απλώς η υψηλότερη εντροπία είναι πάντα στατιστικά πιο πιθανή.

That's why entropy has been called time's arrow.

Γι' αυτό η εντροπία έχει ονομαστεί το βέλος του χρόνου.

If energy has the opportunity to spread out, it will.

Αν η ενέργεια έχει την δυνατότητα να εξαπλωθεί, θα το κάνει.