熵:为宇宙带来无障碍的力量

经过:Jesslyn盾牌|

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熵描述了一个像宇宙一样大的系统中发生的障碍或充满咖啡的热水瓶。Jose A. Bernat Backete / Getty Images

你不能轻易把牙膏放回管子里。你不能指望蒸汽分子自发地迁移回一起形成一个球.如果你把一堆柯基小狗释放到一个领域,那么你将无法让他们全部回到一个箱子,而不做大量的工作。这些是与热力学的第二种定律相关的问题,也称为熵的定律。

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热力学的第二律

热力学对各种科学学科很重要,从工程到自然科学到化学,物理甚至经济学。热力学系统是一个受限的空间,不会让能量进出或出来。

热力学的第一个定律与能量守恒有关 - 您可能会记住听证会在封闭系统中的能量保持恒定(“能量既未创造也不能被摧毁”),除非它从外面篡改。然而,能量不断改变形式 - 火灾可以将化学能量从植物转变为热的和电磁能量。电池把化学能转换成电能。世界在转动,能量变得不那么有组织。

“热力学第二定律被称为熵定律,”Marko Popovic,一个博士后研究员在生物热力学生命科学学院在慕尼黑技术大学,在一封电子邮件中告诉我们。“这是本质上最重要的法律之一。”

熵是封闭系统中疾病的衡量标准。根据第二法律,系统中的熵几乎总是随着时间的推移而增加 - 您可以在系统中创建订单,但即使是重新排序的工作也会增加副本 - 通常以热量的形式增加紊乱。因为熵的衡量标准基于概率,所以当然,可能的系统中的熵会偶尔减少,但这在统计学上是不太可能的。

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障碍的定义

它比你想到一个不会让能量或内在的系统更难 - 我们的宇宙是我们拥有的一个例子 - 但熵描述了一个像宇宙那么大的系统中发生的障碍。小作为一个充满咖啡的热水瓶。

然而,熵与您在厨房里锁定一堆黑猩猩的疾病类型不一定。它有更多关系有多少可能的排列在那个厨房里,脏乱是可以弄出来的,而不是怎么弄出来的混乱是可能的。当然,熵取决于很多因素:有多少黑猩猩,厨房里储存了多少东西,厨房有多大。所以,如果你想看两个厨房——一个非常大的和储备鳃但洁癖,,另一个较小的用更少的东西,但是很垃圾了黑猩猩已经——它是容易说房间有更多的熵越混乱,但这并不一定是如此。熵更关注的是有多少不同的状态是可能的而不是目前的紊乱;因此,如果其中有更多的分子和原子,并且如果它更大,则系统具有更多的熵。如果有更多的黑猩猩。

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熵令人困惑

熵可能是最真实理解的人的最真实的科学概念。熵的概念可能非常令人困惑 - 部分是因为实际上不同种类.匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼因此哀叹这种情况:“谁在讨论中使用‘熵’这个词,谁就永远赢,因为没有人知道熵到底是什么,所以在辩论中,谁总是有优势。”

“定义熵有点困难,”波波维奇说。也许最好将它定义为一种非负的热力学性质,它代表了系统中不能转化为有用功的能量的一部分。因此,对一个系统的任何能量的增加意味着一部分能量将转化为熵,增加了系统的无序。因此,熵是系统无序程度的量度。”

但如果你混淆了,不要觉得很糟糕:定义可以根据目前挥舞它的纪律而有所不同:

在19世纪中期,一个名为的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯是热力学概念的创始人之一,正在研究蒸汽机效率的问题,并发明了熵的概念,帮助衡量无法转换为有用工作的无用能量。几十年后,路德维希玻耳兹曼(熵的另一位“创始人”)用这个概念来解释大量原子的行为:尽管不可能描述一杯水中每一个粒子的行为,但仍然可以用熵的公式来预测它们被加热时的集体行为。

“在20世纪60年代,美国物理学家E.T.jaynes.,解释为熵作为我们未命中的信息,指定系统中所有粒子的运动,“波波维奇说。”例如,一摩尔的气体由6 x 10组成23.粒子。因此,对我们来说,描述每个粒子的运动是不可能的,所以我们做了下一件最好的事情,通过定义气体,不是通过每个粒子的运动,而是通过所有粒子的结合属性:温度,压强,总能量。当我们这样做时,我们失去的信息被称为熵。”

而没有熵的情况下,“宇宙的热死亡”的可怕概念将是不可能的。因为我们的宇宙最有可能开始作为一个奇点 - 一个无限的小,有序的能量 - 膨胀,并继续一直在扩展,熵在我们的宇宙中不断增长,因为还有更多的空间,因此更具潜在的疾病状态这里的原子采用。科学家们已经假设了,很久以后,我已经走了,宇宙最终会达到一些最大疾病的点,此时一切都会是相同的温度,没有秩序(如星形和黑猩猩)的口袋。

如果发生这种情况,我们将有熵致谢。

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