What is entropy? - Jeff Phillips

Mi az entrópia? – Jeff Phillips

Fordító: Péter Pallós Lektor: Beatrix Turán

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

Létezik egy fogalom, amely létfontosságú a kémiában és a fizikában.

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

Megmagyarázza, miért az egyik, s nem a másik irányban zajlanak a folyamatok:

why ice melts,

miért olvad meg a jég,

why cream spreads in coffee,

miért oszlik el a tejszín a kávéban,

why air leaks out of a punctured tire.

miért megy ki a levegő a defektes kerékből.

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

Ez az entrópia, amely hírhedten nehezen fér a fejünkbe.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Az entrópiát gyakran a rendezetlenség mértékeként jellemzik.

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

Kényelmes elképzelés, de sajnos, félrevezető.

For example, which is more disordered -

Pl. melyikük rendezetlenebb:

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

egy csésze jégkása vagy egy pohár szobahőmérsékletű víz?

Most people would say the ice,

Legtöbben a jégre szavaznának,

but that actually has lower entropy.

de az entrópiája a jégnek kisebb.

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

De másként is megközelíthetjük a kérdést: a valószínűségen keresztül.

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

Lehet, hogy ezt fogósabb megértenünk, de szánjuk rá az időt!

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

Így sokkal jobban megértjük az entrópiát.

Consider two small solids

Tekintsünk két piciny szilárd testet,

which are comprised of six atomic bonds each.

amelynek mindegyike hat atomi kötést tartalmaz.

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

E modellben a testek energiáját a kötések tárolják.

Those can be thought of as simple containers,

Fölfoghatjuk őket egyszerű tartályokként,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

amelyek oszthatatlan energiaegységeket, ún. kvantumokat tartalmaznak.

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

Minél több energia van egy szilárd testben, annál forróbb.

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

Kiderült, hogy az energia megoszlása sokféle lehet

in the two solids

a két szilárd test között,

and still have the same total energy in each.

miközben a teljes energia mennyisége állandó.

Each of these options is called a microstate.

Az egyes lehetőségeket mikroállapotnak nevezzük.

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

Ha az A szilárd testben hat, a B-ben két energiakvantum van,

there are 9,702 microstates.

9 702 mikroállapot létezik.

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

Persze, a nyolc energiakvantumunk másként is elrendezhető.

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

Pl., minden energia az A testben összpontosul, a B-ben semmi sincs.

or half in A and half in B.

vagy fele az A-ban, fele a B-ben.

If we assume that each microstate is equally likely,

Ha föltételezzük, hogy minden egyes mikroállapot egyformán valószínű,

we can see that some of the energy configurations

azt látjuk, hogy egyes energiaszerkezetek

have a higher probability of occurring than others.

előfordulása valószínűbb, mint másoké.

That's due to their greater number of microstates.

Ennek oka, hogy több mikroállapotuk van.

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

Az entrópia minden egyes energiaszerkezet előfordulási valószínűségének mértéke.

What we see is that the energy configuration

Látható, hogy az az energiaszerkezet,

in which the energy is most spread out between the solids

amelyben az energia a legjobban eloszlik a szilárd testek között,

has the highest entropy.

a legnagyobb entrópiájú.

So in a general sense,

Általános értelemben az entrópia

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

az energiaeloszlás mértékeként fogható föl.

Low entropy means the energy is concentrated.

Az alacsony entrópia koncentrált energiát jelent.

High entropy means it's spread out.

A magas entrópia azt jelenti, hogy az energia szét van terjedve.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Hogy értsük, miért hasznos az entrópia a spontán folyamatok magyarázatára,

like hot objects cooling down,

pl. ilyen a forró tárgyak lehűlése,

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

meg kell vizsgálnunk a dinamikus rendszert, amelyben az energia mozog,

In reality, energy doesn't stay put.

mivel a valóságban az energia nincs nyugalomban,

It continuously moves between neighboring bonds.

állandóan mozog a szomszédos kötések között.

As the energy moves,

Az energia mozgása miatt

the energy configuration can change.

az energiaszerkezet változhat.

Because of the distribution of microstates,

A mikroállapotok eloszlása miatt

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

21% az esélye, hogy a rendszer később olyan szerkezetű lesz,

in which the energy is maximally spread out,

amelyben az energia teljesen szétszóródik,

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

13% az esélye, hogy visszatér a kiindulópontba,

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

és 8% az esélye, hogy az A energiát vesz föl.

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

Minthogy több módja van, hogy szétszóródott energiánk

and high entropy than concentrated energy,

és magas entrópiánk legyen, semmint koncentrált energiánk,

the energy tends to spread out.

az energia hajlamos a szétszóródásra.

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

Ezért van, hogy ha egy forró s egy hideg tárgyat egymás mellé teszünk,

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

a hideg fölmelegszik, a forró pedig lehűl.

But even in that example,

De még e példában is 8% esélye van,

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

hogy a forró tárgy még forróbb lesz.

Why doesn't this ever happen in real life?

Miért nem történik ez meg a valóságban?

It's all about the size of the system.

A magyarázat a rendszer nagyságában rejlik.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Hipotetikus szilárd testünknek csak hat kötése volt.

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

Növeljük a kötések számát 6 000-re és az energiaegységeket 8 000-re,

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

és legyen kezdetben az energia 3/4-e az A-ban,

and one-quarter in B.

és 1/4-e a B-ben!

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Most az esély, hogy az A spontán energiát vesz föl,

is this tiny number.

egy ilyen pici szám.

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

Megszokott tárgyainkban sokkal-sokkal több részecske van.

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

Az esélye, hogy egy forró tárgy a valóságban még forróbb legyen,

is so absurdly small,

olyan elképzelhetetlenül kicsi,

it just never happens.

hogy sohasem történik meg.

Ice melts,

A jég megolvad,

cream mixes in,

a tejszín elkeveredik,

and tires deflate

és az autógumi leereszt,

because these states have more dispersed energy than the originals.

mert az utóbbi állapotokban nagyobb a szétszórt energia mennyisége.

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

Nincs rejtélyes erő, amely a rendszert a magasabb entrópia felé taszigálná.

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

Csak arról van szó, hogy a magasabb entrópia statisztikailag valószínűbb.

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

Ezért hívjuk az entrópiát időnyílnak.

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

Ha az energiának lehetősége van szóródni, meg is teszi.