Svet entropie fyziky
Entropia sa často chápe ako druh „poruchy“. Ale to nejde dosť ďaleko. Po zavedení na vysvetlenie obmedzenej účinnosti parných strojov sa tento výraz dnes používa aj v mnohých ďalších disciplínach.
Málokedy je iný termín vo fyzike tak populárny mimo fyziky - a tak často sa odchyľuje od jeho skutočného významu - ako napríklad entropia. Pojem má veľmi úzky význam. Rakúsky fyzik Ludwig Boltzmann prišiel s konkrétnou definíciou tejto fyzikálnej veličiny v druhej polovici 19. storočia. Zameral sa na mikroskopické správanie tekutiny, teda plynu alebo kvapaliny. Poruchový pohyb atómov alebo molekúl v ňom chápal ako teplo, ktoré bolo pre jeho definíciu rozhodujúce.
Entropia vo vani
V uzavretom systéme so stálym objemom a stálym počtom častíc, uviedol Boltzmann, je entropia úmerná logaritmu počtu mikrostavov v systéme. Rozumel mikroštátom všetky spôsoby, ako sa môžu molekuly alebo atómy zachytenej tekutiny usporiadať. Jeho vzorec definuje entropiu ako mieru „slobody usporiadania“ molekúl a atómov: ak sa zvýši počet mikrostavov, ktoré je možné zachytiť, potom sa entropia zvýši. Ak existuje menej spôsobov, ako sa môžu častice tekutiny usporiadať, je entropia menšia.
Boltzmannov vzorec sa často interpretuje, akoby bola entropia synonymom pre „poruchu“. Tento zjednodušený obraz je však ľahko zavádzajúci. Príkladom toho je pena vo vani: keď prasknú bubliny a povrch vody je hladký, zdá sa, že sa neporiadok zmenšuje. Ale entropia to nerobí! V skutočnosti sa skutočne zvyšuje, pretože potom, čo pena praskne, možný priestor pre pobyt molekúl kvapaliny už nie je obmedzený na vonkajšiu vrstvu vezikúl - zvýšil sa počet mikrostavov, ktoré je možné spotrebovať. Entropia narástla.
Pomocou Boltzmannovej definície sa dá pochopiť jedna strana termínu - ale entropia má aj ďalšiu, makroskopickú stránku, ktorú už o pár rokov skôr objavil nemecký fyzik Rudolf Clausius. Na začiatku 18. storočia bol vynájdený parný stroj, klasický tepelný stroj. Tepelné motory premieňajú teplotný rozdiel na mechanickú prácu. Vtedy sa fyzici snažili pochopiť, aké princípy tieto stroje dodržiavajú. Vedci boli podráždení, keď zistili, že iba niekoľko percent tepelnej energie sa dá premeniť na mechanickú energiu. Zvyšok sa akosi stratil - bez toho, aby pochopili dôvod.
Hodnota energie
Zdá sa, že teórii termodynamiky chýba fyzikálny koncept, ktorý by zohľadňoval rôzne valencie energie a obmedzoval schopnosť premeny tepelnej energie na mechanickú. Riešenie prišlo vo forme entropie. V polovici 19. storočia predstavil Clausius termín ako termodynamická veličina a definoval ho ako makroskopické opatrenie pre vlastnosť, ktorá obmedzuje využiteľnosť energie.
Podľa Clausiusa zmena entropie systému závisí od dodávaného tepla a teploty, ktorá prevláda. Dospieva k záveru, že entropia sa vždy prenáša spolu s teplom. Clausius navyše uviedol, že entropia v uzavretých systémoch nie je na rozdiel od energie konzervovanou veličinou. Tieto poznatky vstúpili do fyziky ako druhý zákon termodynamiky:
„V uzavretom systéme sa entropia nikdy neznižuje.“
Entropia sa preto vždy zvyšuje alebo zostáva konštantná. Toto zavádza šípku času do fyziky uzavretých systémov, pretože so zvyšujúcou sa entropiou sú termodynamické procesy v uzavretých systémoch nevratné (alebo nezvratné).
Proces by bol reverzibilný, iba ak by entropia zostala konštantná. Ale to je možné len teoreticky. Všetky skutočné procesy sú nezvratné. Podľa Boltzmanna možno tiež povedať: Počet možných mikrostavov sa neustále zvyšuje. Táto mikroskopická interpretácia rozširuje termodynamicko-makroskopickú interpretáciu podľa Clausiusa. Entropia nakoniec vyriešila záhadu energie, ktorá zmizla v tepelných motoroch (pozri rámček). Časť tepelnej energie sa neustále sťahuje z mechanickej využiteľnosti a znova sa uvoľňuje, pretože v uzavretých systémoch sa entropia nesmie znižovať.
Všestranné použitie
Od nálezov Clausiusa a Boltzmanna sa entropia presunula aj do iných oblastí fyziky. Bolo to dokonca preberané mimo fyziky, aspoň ako matematický koncept. Napríklad americký matematik a elektrotechnik Claude Shannon zaviedol v roku 1948 takzvanú informačnú entropiu. S touto veľkosťou charakterizoval stratu informácií pri prenose cez telefónnu linku.
Entropia hrá úlohu aj v chémii a biológii: V určitých otvorených systémoch môžu vzniknúť nové štruktúry, ak sa entropia uvoľní smerom von. Musí ísť o takzvané disipatívne systémy, v ktorých sa energia premieňa na tepelnú. Táto teória formovania štruktúry pochádza od belgického fyzikálneho chemika Ilya Prigogina. Doteraz sú publikované práce, v ktorých sa do fyzického rozsahu koncepcie pridávajú nové aspekty.