What is entropy? - Jeff Phillips

Entropy là gì? - Jeff Phillips

Translator: An Bình Nguyễn Reviewer: Ai Van Tran

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

Có một khái niệm quan trọng trong hóa học và vật lý.

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

Nó giúp giải thích tại sao quá trình vật lý học chỉ xảy ra theo một hướng:

tại sao đá tan chảy,

why ice melts,

why cream spreads in coffee,

tại sao kem lan tỏa trong cà phê,

tại sao không khí xì ra khỏi lốp xe thủng.

why air leaks out of a punctured tire.

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

Đó là entropy, và nó nổi tiếng là khó hiểu.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

Entropy thường được miêu tả là thước đo sự hỗn độn.

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

Đó là một hình ảnh thuận tiện, nhưng không may lại gây hiểu lầm.

For example, which is more disordered -

Ví dụ, cái gì hỗn độn hơn -

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

một cốc đá bào hay một ly nước ở nhiệt độ phòng?

Most people would say the ice,

Hầu hết mọi người sẽ nói là cốc đá,

but that actually has lower entropy.

nhưng thực ra nó có ít entropy hơn.

Sau đây là một cách nghĩ khác về entropy thông qua xác suất.

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

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

Cách này có thể khó hiểu hơn, nhưng hãy dành thời gian nghiền ngẫm nó

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

và bạn sẽ hiểu rõ hơn về entropy.

Consider two small solids

Xem xét hai vật thể nhỏ,

which are comprised of six atomic bonds each.

mỗi vật được tạo thành từ sáu liên kết nguyên tử.

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

Trong mô hình này, năng lượng ở mỗi vật được chứa đựng ở các liên kết.

Those can be thought of as simple containers,

Điều này có thể được suy tưởng như những hộp chứa đơn giản

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

có khả năng giữ các đơn vị năng lượng được gọi là lượng tử.

Càng nhiều năng lượng, vật đó càng nóng.

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

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

Thật ra có rất nhiều cách phân phối năng lượng

trong hai vật thể

in the two solids

and still have the same total energy in each.

mà vẫn giữ nguyên tổng năng lượng ở từng vật.

Each of these options is called a microstate.

Mỗi lựa chọn này được gọi là "trạng thái vi mô".

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

Cứ sáu lượng tử năng lượng ở Vật A và hai lượng tử năng lượng ở Vật B,

there are 9,702 microstates.

thì có 9,702 trạng thái vi mô.

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

Tất nhiên, có những cách khác để sắp xếp 8 lượng tử năng lượng của chúng ta.

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

Ví dụ, tất cả năng lượng có thể đặt ở Vật A và không năng lượng ở Vật B,

or half in A and half in B.

hoặc một nửa ở A và một nửa ở B.

If we assume that each microstate is equally likely,

Nếu giả định rằng mỗi trạng thái vi mô là như nhau,

we can see that some of the energy configurations

chúng ta có thể thấy vài cấu hình năng lượng

have a higher probability of occurring than others.

có khả năng xảy ra cao hơn những cái còn lại.

That's due to their greater number of microstates.

Đó là nhờ số lượng lớn trạng thái vi mô của chúng.

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

Entropy là thước đo trực tiếp cho mỗi khả năng của cấu hình năng lượng.

What we see is that the energy configuration

Thứ chúng ta thấy là cấu hình năng lượng

in which the energy is most spread out between the solids

có mức năng lượng phát tán nhiều nhất giữa các vật thể

has the highest entropy.

thì cũng có mức entropy cao nhất.

So in a general sense,

Vậy nên theo cách hiểu chung,

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

entropy có thể được coi như một thước đo của sự phát tán năng lượng.

Low entropy means the energy is concentrated.

Mức entropy thấp nghĩa là năng lượng được tập trung.

High entropy means it's spread out.

Mức entropy cao nghĩa là năng lượng được phát tán.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

Để thấy tại sao entropy quan trọng trong việc giải thích các quá trình tự nhiên,

like hot objects cooling down,

như hiện tượng vật nóng nguội đi,

chúng ta cần nhìn vào hệ thống động nơi năng lượng di chuyển.

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

In reality, energy doesn't stay put.

Trong thực tế, năng lượng không đứng yên.

It continuously moves between neighboring bonds.

Nó không ngừng di chuyển giữa các liên kết xung quanh.

As the energy moves,

Khi năng lượng di chuyển,

the energy configuration can change.

mô hình năng lượng có thể thay đổi.

Because of the distribution of microstates,

Bởi sự phân bổ của các trạng thái vi mô,

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

có 21% khả năng là hệ thống sẽ tồn tại ở mô hình

in which the energy is maximally spread out,

mà năng lượng phát tán nhiều nhất,

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

13% khả năng là nó sẽ trở về điểm xuất phát,

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

và 8% khả năng là A sẽ có thêm năng lượng.

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

Một lần nữa, chúng ta thấy vì có nhiều cách để có năng lượng phát tán

and high entropy than concentrated energy,

và mức entropy cao hơn là có được năng lượng tập trung

the energy tends to spread out.

nên năng lượng có xu hướng phát tán.

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

Đó là lí do tại sao nếu bạn đặt một vật nóng cạnh vật lạnh,

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

vật lạnh sẽ ấm lên và vật nóng sẽ nguội đi.

But even in that example,

Nhưng thậm chí trong ví dụ này,

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

có 8% khả năng vật nóng sẽ nóng lên.

Tại sao trong thực tế điều này không bao giờ xảy ra?

Why doesn't this ever happen in real life?

It's all about the size of the system.

Đó là do kích thước của hệ thống.

Vật thể giả định của chúng ta chỉ có sáu liên kết ở mỗi vật.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

Hãy nâng các vật lên tới 6,000 liên kết và 8,000 đơn vị năng lượng,

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

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

và một lần nữa bắt đầu hệ thống với ba phần tư năng lượng ở A

and one-quarter in B.

và một phần tư năng lượng ở B.

Giờ chúng ta thấy khả năng A có thêm năng lượng một cách tự nhiên

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

is this tiny number.

là con số cực nhỏ như thế này.

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

Thông thường, các vật dụng hàng ngày còn có nhiều phần nhỏ hơn nữa.

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

Khả năng một vật nóng trong thực tế nóng lên

is so absurdly small,

là cực kỳ nhỏ,

đến mức không bao giờ xảy ra.

it just never happens.

Ice melts,

Đá tan,

cream mixes in,

kem lan tỏa,

and tires deflate

và lốp xì hơi

because these states have more dispersed energy than the originals.

là bởi những trạng thái này có nhiều năng lượng phát tán hơn năng lượng gốc.

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

Không có thế lực thần bí nào đẩy hệ thống lên mức entropy cao hơn.

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

Chỉ là mức entropy cao luôn có xác suất xảy ra cao hơn.

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

Đó là lí do vì sao entropy được gọi là mũi tên thời gian.

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

Nếu năng lượng có cơ hội phát tán, thì nó sẽ xảy ra như vậy.