What is entropy? - Jeff Phillips

Tłumaczenie: Małgorzata Ciborska Korekta: Ola Królikowska

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

Pewna koncepcja odgrywa w chemii i fizyce kluczową rolę.

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

Pomaga wyjaśnić działanie procesów fizycznych.

why ice melts,

Dlaczego lód topnieje,

why cream spreads in coffee,

śmietanka miesza się z kawą,

why air leaks out of a punctured tire.

a z przebitej opony wydostaje się powietrze.

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

To entropia, zjawisko bardzo trudne do zrozumienia.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Entropia jest często opisywana jako miara nieuporządkowania.

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

To wygodne określenie jest niestety mylące.

For example, which is more disordered -

Co jest bardziej nieuporządkowane?

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

Szklanka pokruszonego lodu czy wody o temperaturze pokojowej?

Most people would say the ice,

Większość powie, że szklanka z lodem,

but that actually has lower entropy.

ale tak naprawdę ma ona niższą entropię.

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

Do opisania entropii można użyć prawdopodobieństwa.

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

Może być to trudniejsze do zrozumienia, ale porządnie przetwórzcie te informacje,

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

a zrozumiecie entropię o wiele lepiej.

Consider two small solids

Wyobraźmy sobie dwie bryły.

which are comprised of six atomic bonds each.

Każda składa się z sześciu wiązań atomowych.

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

W tym modelu energia każdej bryły jest przechowywana w wiązaniach.

Those can be thought of as simple containers,

Można je sobie wyobrazić jako proste pojemniki

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

mieszczące niepodzielne jednostki energii, czyli kwanty.

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

Im więcej energii w bryle, tym jest ona cieplejsza.

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

Energia może być dystrybuowana na wiele sposobów

in the two solids

w tych dwóch bryłach

and still have the same total energy in each.

i wciąż mieć w każdej taką samą wartość całkowitą.

Each of these options is called a microstate.

Każda z tych opcji to stan mikroskopowy.

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

Dla sześciu kwantów energii w Bryle A i dwóch kwantów w Bryle B

there are 9,702 microstates.

istnieje 9702 stanów mikroskopowych.

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

Te osiem kwantów można też rozłożyć inaczej.

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

W Bryle A może być cała energia, a w Bryle B nic

or half in A and half in B.

albo po połowie w każdej z nich.

If we assume that each microstate is equally likely,

Zakładając, że każdy stan mikroskopowy jest tak samo prawdopodobny,

we can see that some of the energy configurations

widać, że niektóre rozkłady energii

have a higher probability of occurring than others.

mają wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia niż inne.

That's due to their greater number of microstates.

Wynika to z dużej liczby obecnych stanów mikroskopowych.

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

Entropia to bezpośredni wskaźnik prawdopodobieństwa rozkładu energii.

What we see is that the energy configuration

Rozkład energii,

w którym energia jest najbardziej rozłożona między bryłami,

in which the energy is most spread out between the solids

has the highest entropy.

ma najwyższy wskaźnik entropii.

So in a general sense,

Ogólnie rzecz biorąc,

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

entropia może być pojmowana jako miernik rozłożenia tej energii.

Low entropy means the energy is concentrated.

Niski poziom entropii oznacza skupienie energii.

High entropy means it's spread out.

Wysoki poziom entropii oznacza większe rozłożenie energii.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Żeby zrozumieć przydatność entropii w wyjaśnianiu procesów samoistnych,

like hot objects cooling down,

jak schładzanie się gorących przedmiotów,

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

trzeba spojrzeć na układ dynamiczny, w którym porusza się energia.

In reality, energy doesn't stay put.

W rzeczywistości energia nie stoi w miejscu.

It continuously moves between neighboring bonds.

Ciągle porusza się między sąsiadującymi wiązaniami.

As the energy moves,

Podczas ruchu energii

the energy configuration can change.

jej rozkład może ulec zmianie.

Because of the distribution of microstates,

Rozłożenie stanów mikroskopowych sprawia,

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

że istnieje 21% szans na to, że w późniejszym rozkładzie układu

in which the energy is maximally spread out,

energia będzie maksymalnie rozłożona,

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

13% szans, że powróci do punktu wyjścia

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

i 8%, że energia w Bryle A wzrośnie.

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

Większa liczba sposobów uzyskania rozproszonej energii

and high entropy than concentrated energy,

i wysokiej wartości entropii niż energii skupionej

the energy tends to spread out.

prowadzi do rozkładania się energii.

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

To dlatego umieszczenie gorącego przedmiotu obok zimnego

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

sprawia, że zimna rzecz ogrzewa się, a gorąca stygnie.

But even in that example,

Nawet w tym przykładzie

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

jest 8% szans na wzrost temperatury gorącego przedmiotu.

Why doesn't this ever happen in real life?

Dlaczego nigdy się tak nie dzieje?

It's all about the size of the system.

Chodzi o rozmiar układu.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Nasze hipotetyczne bryły miały tylko po sześć wiązań.

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

Powiększmy liczbę wiązań do 6 tysięcy, a jednostek energii do 8 tysięcy

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

i stwórzmy układ, w którym trzy czwarte energii jest w Bryle A,

and one-quarter in B.

a jedna czwarta w Bryle B.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Bryła A ma znikome szanse

na samoistne pozyskanie większej energii.

is this tiny number.

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

Przedmioty codziennego użytku mają o wiele większą liczbę cząsteczek.

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

Prawdopodobieństwo, że temperatura gorącego przedmiotu wzrośnie,

is so absurdly small,

jest tak niewielkie,

it just never happens.

że wzrost praktycznie nigdy nie ma miejsca.

Ice melts,

Lód topnieje,

cream mixes in,

śmietanka miesza się z kawą,

and tires deflate

a opony tracą powietrze,

because these states have more dispersed energy than the originals.

bo stany te mają więcej rozproszonej energii niż stany pierwotne.

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

Nie istnieje tajemnicza siła powodująca zwiększenie entropii układu.

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

Większa entropia jest po prostu statystycznie bardziej prawdopodobna.

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

To dlatego entropię nazywa się strzałką czasu.

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

Energia rozkłada się, kiedy tylko ma taką możliwość.