What is entropy? - Jeff Phillips

Переводчик: Mikhail Gurianov Редактор: Ростислав Голод

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

Существует понятие, которое имеет первостепенную важность в химии и физике.

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

Оно помогает объяснить, почему физические процессы протекают так, а не иначе:

why ice melts,

почему лёд тает,

why cream spreads in coffee,

почему взбитые сливки растворяются в горячем кофе,

why air leaks out of a punctured tire.

почему воздух выходит из пробитой шины.

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

Это — энтропия, и разобраться в ней бывает очень сложно.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Энтропию часто описывают как меру неопределённости.

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

Это удобное определение, но оно, к сожалению, обманчиво.

For example, which is more disordered -

Например, что более неупорядочено:

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

чашка колотого льда или стакан воды комнатной температуры?

Most people would say the ice,

Большинство людей ответит, что лёд,

but that actually has lower entropy.

но его энтропия ниже.

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

Поэтому энтропию стоит рассматривать с точки зрения вероятности.

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

Возможно, это будет сложнее понять, но вдумайтесь в него какое-то время,

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

и вы лучше осмыслите понятие энтропии.

Consider two small solids

Рассмотрим два малых твёрдых тела,

which are comprised of six atomic bonds each.

каждое из которых состоит из шести атомных связей.

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

В нашем примере энергия в каждом твёрдом теле содержится в этих связях.

Those can be thought of as simple containers,

Их можно представить себе простыми контейнерами,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

которые могут содержать неделимые единицы энергии, известные как кванты.

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

Чем больше энергии в твёрдом теле, тем выше его температура.

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

Оказывается, существует немало вариантов распределения энергии

in the two solids

в двух твёрдых телах,

and still have the same total energy in each.

но при этом та же общая энергия будет сохраняться в каждом из них.

Each of these options is called a microstate.

Каждая из этих возможностей называется микросостоянием.

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

Для шести квантов энергии в теле А и двух в теле В

there are 9,702 microstates.

существует 9 702 микросостояний.

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

Безусловно, существуют другие варианты распределения наших 8 квантов энергии.

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

Например, вся энергия может храниться в теле А и её вообще не будет в теле В,

or half in A and half in B.

или половина — в А и половина — в В.

If we assume that each microstate is equally likely,

Если предположить, что каждое микросостояние равновероятно,

we can see that some of the energy configurations

то мы увидим, что некоторые конфигурации энергии

have a higher probability of occurring than others.

более вероятны, чем другие.

That's due to their greater number of microstates.

Это происходит из-за большего у них числа микросостояний.

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

Энтропия — это степень вероятности каждой из конфигураций энергии.

What we see is that the energy configuration

Мы видим, что конфигурация энергии,

in which the energy is most spread out between the solids

когда та наиболее рассеяна между двумя твёрдыми веществами,

has the highest entropy.

имеет наивысшую энтропию.

So in a general sense,

Поэтому в общем смысле

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

энтропией можно называть меру рассеивания энергии.

Low entropy means the energy is concentrated.

Низкая энтропия означает, что энергия сконцентрирована.

High entropy means it's spread out.

Высокая энтропия — что она рассеяна.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Чтобы понять, почему энтропия полезна при объяснении естественных процессов,

like hot objects cooling down,

как то остывание горячих объектов,

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

мы должны рассмотреть динамическую систему, в которой перемещается энергия.

In reality, energy doesn't stay put.

В реальности энергия не лежит «мёртвым грузом».

It continuously moves between neighboring bonds.

Она постоянно движется между соседними связями.

As the energy moves,

Когда энергия движется,

the energy configuration can change.

конфигурация энергии может изменяться.

Because of the distribution of microstates,

Вследствие распределения микросостояний

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

существует вероятность, равная 21%, что система окажется в конфигурации,

in which the energy is maximally spread out,

при которой энергия максимально рассеяна,

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

13% того, что она вернётся в своё изначальное состояние,

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

и всего 8%, что тело А приобретёт энергию.

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

Мы снова видим, что поскольку вариантов с рассеянной энергией

and high entropy than concentrated energy,

и высокой энтропией больше, чем с сосредоточенной энергией,

the energy tends to spread out.

она имеет тенденцию рассеиваться.

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

Поэтому, если вы поставите рядом горячий и холодный предметы,

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

холодный нагреется, а горячий охладится.

But even in that example,

Но даже в этом примере

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

существует вероятность, равная 8%, что горячий объект станет ещё горячее.

Why doesn't this ever happen in real life?

Почему же этого никогда не происходит в реальной жизни?

It's all about the size of the system.

Всё зависит от размеров системы.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

У наших гипотетических веществ было всего по шесть связей.

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

Давайте увеличим их число до 6 000 связей и 8 000 единиц энергии,

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

у системы вначале будет три четверти энергии в теле А

and one-quarter in B.

и одна четверть в теле В.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

Теперь вероятность того, что А спонтанно приобретёт больше энергии,

is this tiny number.

вот настолько мала.

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

У знакомых нам повседневных предметов во много, много раз больше частиц.

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

Шанс того, что горячий объект в реальном мире станет горячее,

is so absurdly small,

настолько ничтожен,

it just never happens.

что этого никогда не происходит.

Ice melts,

Лёд тает,

cream mixes in,

сливки растовряются,

and tires deflate

шины сдуваются,

because these states have more dispersed energy than the originals.

потому что эти состояния обладают более распределённой энергией, чем изначальные.

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

Не существует волшебной силы,

«толкающей» систему к более высокой энтропии.

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

Просто более высокая энтропия статистически более вероятна.

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

Поэтому энтропию называют стрелой времени.

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

Если у энергии есть шанс рассеяться, то это обязательно произойдёт.