Энтропия в термодинамике простыми словами


энтропия - что это такое простыми словами

Что обозначает термин «энтропия»?

Задумывались ли вы когда-нибудь, что означает термин » энтропия»? С помощью этого слова объясняется все, что происходит в жизни (начиная с физических и заканчивая химическими процессами). Мало кто может объяснить, что это значит. Объясняется это тем, что данное явление нельзя наглядно изучить или смерить каким-нибудь прибором.


На самом деле, человечество многое еще не изучило, энтропия является одним из таких явлений. Сотни и сотни лет ученые не могут до конца понять, откуда взялось это явление. Химики и физики » взявшись за руки» пытаются открыть что-то новое по этой теме с помощью различных экспериментов. А в этой статье вы можете узнать, что известно на данный момент.

Очень сложное явление

Как появился этот термин?

«Энтропию» ввел немецкий физик Р.Клаузис в 1865 г. Дошел он до этого, когда обдумывал один каверзный вопрос. Куда уходит энергия? Все знаем, что кол-во энергии из аккумулятора телефона тратится меньше, чем получается. Для нас это является нормой, а для ученых это была загадка. Этот термин раньше относили только к термодинамике. Однако сейчас оно распространилось на многие области. На данный момент есть много определений, перечислю некоторые из них:

  1. Шанс осуществления какого-то состояния.
  2. Мера хаоса и беспорядка.
  3. Количество информации о системе.

Какие энтропии бывают?

1. В термодинамике.

Каждая система пытается находиться в равновесии и не может сама выйти их него. Состояние равновесия — это беспорядок. Как он определяется? Самый простой метод — это предписание всем состояниям количество вариантов, нужных для реализации этого самого равновесия. Чем больше это значение, тем больше будет энтропия.

2. В экономике.

Коэффициент энтропии нужен для определения изменения её концентрации и уровня рынка. Тут такая зависимость, чем будет выше коэффициент, тем выше неопределенность. С его помощью можно дать оценку выгоде, которую приобрела фирма.

3. В теории информации.

В этой области энтропия помогает узнать уровень беспорядка у эксперимента или какого-либо события. А зависимость, чем больше кол-во состояний, тем больше неопределенность. упорядочивание всегда приводит к увеличению объема информации и к уменьшению неопределенности. Так же с ее помощью можно определить пропускную способность канала, она, в свою очередь, обеспечивает безопасную передачу информации. Так же можно вычислить вероятность какого-нибудь действия и расшифровать почти любой текст.


4. В социологии.

В данном случае энтропия — это характеристика уклона социума от общепринятых норм. его можно обнаружить если снижается развитие и ухудшается самостоятельность. Пример: школьники настолько загружены подготовкой к экзаменам, что просто не способны изучать программу. Тут мерой целесообразных использований будет информационная неопределенность.

Энтропия на простых примерах

Пример первый.

Каждый из нас сталкивался с проблемой опечаток в печатном тексте. Что нас обычно спасает? Т9. Она тоже работает по принципу энтропии. Замечали, что, если мало ошибок, программа с легкостью определяет нужный вариант, а если опечаток будет много. она не сможет определить слово. Это происходит потому что увеличение беспорядка (много ошибок) приводит к неопределенности, а порядок к ее отсутствию.

Пример второй.

Все любят играть в настольные игры. Чтобы на кубике выпала комбинация 4, нужно два раза по два или один раз 4. этот случай довольно непредсказуем. Энтропию можно считать мерой распределения энергии. При маленьком значении она сконцентрирована, а в высоком хаотична.


Пример третий.

Люди, у которых всегда порядок на поверхности рабочего стола могут с легкость найти нужный листик или карандаш потому что неопределенность намного меньше, чем у человека с настоящим хаосом на столе.

Пример четвертый.

На уроке, когда дети сидят упорядоченно каждый на своем месте. у учителя больше информации о каждом. а неопределенность увеличится на перемене, когда увеличится беспорядочность.

Пример пятый.

Те, кто разбирается в химии, знают, что молекулы газа всегда двигаются беспорядочно. Значит, все реакции, протекающие с выделением газа, например, все известные реакции горения (выделяется угарный газ) будут сопровождены высокой энтропией.

Вывод:

Мы дали множество определений энтропии, выбирайте то, которое вам ближе и понятнее. Добавим, что это так же может быть величина, не преобразованная в механическую работу. Более понятна энтропия в термодинамике (наверное, потому что она в этой области зародилась). Все процессы в природе сопровождаются увеличением энтропии. Интересно заметить, что все в мире хочет добиться максимума энтропии, а человек разумный препятствуя всему и показывая свою индивидуальность, к информации.


Автор: Виктор Щербань

Источник: wikifin.ru

Формула энтропии

Существует несколько вариантов формулы энтропии. Одна из них:

Формула Энтропия
«S» — мера энтропии;
«Q» — мера тепла;
«Т» — температура системы (в градусах Кельвина).

Энтропия в физике

Простыми словами энтропия — это мера распределения энергии. Когда энтропия высокая — энергия распределена, когда низкая — энергия сконцентрирована.

Энтропия в термодинамике

Энтропия — это термодинамическое количество, которое показывает сколько энергии в системе, которая уже не доступна для выполнения механической работы.

Энтропия Вселенной

Во втором законе термодинамики говорится, что в спонтанном процессе общая энтропия Вселенной постоянно увеличивается; это означает, что она становится более неупорядоченной, хаотичной.

Энтропия идеального газа

Энтропия идеального газа

Энтропия идеального газа


Энтропия идеального газа

Энтропия идеального газа

Энтропия системы

Энтропия — это мера случайной активности в системе, мера тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы.

Количество энтропии — это ещё и мера молекулярного беспорядка или случайности системы.

Эту концепцию открыл немецкий физик Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус в 1850 году.

Энтропия в химии

Энтропия — функция состояния каждого вещества. Энтропия веществ меняется когда происходит химическая реакция. Это изменение энтропии веществ (ΔS) называется «энтропия реакции» или «изменение энтропии в процессе».

Это включает все вещества в реакции, и указывает на состояние системы, а то, как это состояние было достигнуто игнорируется.

Чем выше степень неупорядоченности системы, тем выше энтропия системы.

Разница между энтальпией и энтропией

Простыми словами, энтропия — это мера количества случайности или беспорядка в системе, т. е. мера случайной активности в системе. В то время как энтальпия — это мера общего количества энергии в системе.

Смотрите также, что такое Полимер.

Источник: www.uznaychtotakoe.ru

Энтропия: определение и история появления термина


История появления термина

Энтропия как определение состояния системы была введена в 1865 году немецким физиком Рудольфом Клаузиусом, чтобы описать способность теплоты превращаться в другие формы энергии, главным образом в механическую. С помощью этого понятия в термодинамике описывают состояние термодинамических систем. Приращение этой величины связано с поступлением тепла в систему и с температурой, при которой это поступление происходит.

Определение термина из Википедии

Этот термин долгое время использовался только в механической теории тепла (термодинамике), для которой оно вводилось. Но со временем это определение перешло в другие области и теории. Существует несколько определений термина «энтропия».

Википедия даёт краткое определение для нескольких областей, в которых этот термин используется:«Энтропия (от др.-греч. ἐντροπία «поворот»,«превращение») — часто употребляемый в естественных и точных науках термин. В статистической физике характеризует вероятность осуществления какого-либо макроскопического состояния. Помимо физики, этот термин широко используется в математике: теории информации и математической статистике».

Виды энтропий

Этот термин используется в термодинамике, экономике, теории информации и даже в социологии. Что же он определяет в этих областях?

В физической химии (термодинамике)


Как изменяется энтропияОсновной постулат термодинамики о равновесии: любая изолированная термодинамическая система приходит в равновесное состояние с течением времени и не может из него выйти самопроизвольно. То есть каждая система стремится в равновесное для неё состояние. И если говорить совсем простыми словами, то такое состояние характеризуется беспорядком.

Энтропия — это мера беспорядка. Как определить беспорядок? Один из способов — приписать каждому состоянию число вариантов, которыми это состояние можно реализовать. И чем больше таких способов реализации, тем больше значение энтропии. Чем больше организованно вещество (его структура), тем ниже его неопределённость (хаотичность).

Абсолютное значение энтропии (S абс.) равно изменению имеющейся у вещества или системы энергии во время теплопередачи при данной температуре. Его математическая величина определяется из значения теплопередачи (Q), разделённого на абсолютную температуру (T), при которой происходит процесс: S абс. = Q / T. Это означает, что при передаче большого количества теплоты показатель S абс. увеличится. Тот же эффект будет наблюдаться при теплопередаче в условиях низких температур.

В экономике


Энтропия сведение из википедииВ экономике используется такое понятие, как коэффициент энтропии. С помощью этого коэффициента исследуют изменение концентрации рынка и её уровень. Чем выше значение коэффициента, тем выше экономическая неопределённость и, следовательно, вероятность появления монополии снижается. Коэффициент помогает косвенно оценить выгоды, приобретённые фирмой в результате возможной монопольной деятельности или при изменении концентрации рынка.

В статистической физике или теории информации

Информационная энтропия (неопределённость)— это мера непредсказуемости или неопределённости некоторой системы. Эта величина помогает определить степень беспорядочности проводимого эксперимента или события. Чем больше количество состояний, в которых может находиться система, тем больше значение неопределённости. Все процессы упорядочивания системы приводят к появлению информации и снижению информационной неопределённости.

С помощью информационной непредсказуемости можно выявить такую пропускную способность канала, которая обеспечит надёжную передачу информации (в системе закодированных символов). А также можно частично предсказывать ход опыта или события, деля их на составные части и высчитывая значение неопределённости для каждой из них. Такой метод статистической физики помогает выявить вероятность события. С его помощью можно расшифровать закодированный текст, анализируя вероятность появления символов и их показатель энтропии.


Существует такое понятие, как абсолютная энтропия языка. Эта величина выражает максимальное количество информации, которое можно передать в единице этого языка. За единицу в этом случае принимают символ алфавита языка (бит).

В социологии

Объяснение термина энтропияЗдесь энтропия (информационная неопределённость) является характеристикой отклонения социума (системы) или его звеньев от принятого (эталонного) состояния, а проявляется это в снижении эффективности развития и функционирования системы, ухудшении самоорганизации. Простой пример: сотрудники фирмы так сильно загружены работой (выполнением большого количества отчётов), что не успевают заниматься своей основной деятельностью (выполнением проверок). В этом примере мерой нецелесообразного использования руководством рабочих ресурсов будет являться информационная неопределённость.

Энтропия: тезисно и на примерах

  • Чем больше способов реализации, тем больше информационная неопределённость.

Пример 1. Программа Т9. Если в слове будет небольшое количество опечаток, то программа легко распознает слово и предложит его замену. Чем больше опечаток, тем меньше информации о вводимом слове будет у программы. Следовательно, увеличение беспорядка приведёт к увеличению информационной неопределённости и наоборот, чем больше информации, тем меньше неопределённость.

Пример 2. Игральные кости. Выкинуть комбинацию 12 или 2 можно только одним способом: 1 плюс 1 или 6 плюс 6. А максимальным числом способов реализуется число 7 (имеет 6 возможных комбинаций). Непредсказуемость реализации числа семь самая большая в этом случае.

  • В общем смысле энтропию (S) можно понимать как меру распределения энергии. При низком значении S энергия сконцентрирована, а при высоком — распределена хаотично.

Пример. Н2О (всем известная вода) в своём жидком агрегатном состоянии будет обладать большей энтропией, чем в твёрдом (лёд). Потому что в кристаллическом твёрдом теле каждый атом занимает определённое положение в кристаллической решётке (порядок), а в жидком состоянии у атомов определённых закреплённых положений нет (беспорядок). То есть тело с более жёсткой упорядоченностью атомов имеет более низкое значение энтропии (S). Белый алмаз без примесей обладает самым низким значением S по сравнению с другими кристаллами.

  • Связь между информацией и неопределённостью.

Понятие термина энтропияПример 1. Молекула находится в сосуде, который имеет левую и правую часть. Если неизвестно, в какой части сосуда находится молекула, то энтропия (S) будет определяться по формуле S = S max = k * lgW, где k -число способов реализации, W- количество частей сосуда. Информация в этом случае будет равна нулю I = I min =0. Если же точно известно, в какой части сосуда находится молекула, то S = S min =k*ln1=0, а I = I max= log 2 W. Следовательно, чем больше информации, тем ниже значение информационной неопределённости.

Пример 2. Чем выше порядок на рабочем столе, тем больше информации можно узнать о вещах, которые на нём находятся. В этом случае упорядоченность предметов снижает энтропию системы «рабочий стол».

Пример 3. Информация о классе больше на уроке, чем на перемене. Энтропия на уроке ниже, так как ученики сидят упорядочено (больше информации о местоположении каждого ученика). А на перемене расположение учеников меняется хаотично, что повышает их энтропию.

  • Химические реакции и изменение энтропии.

Пример. При реакции щелочного металла с водой выделяется водород. Водород-это газ. Так как молекулы газа движутся хаотично и имеют высокую энтропию, то рассматриваемая реакция происходит с увеличением её значения. То есть энтропия химической системы станет выше.

В заключение

Если объединить всё вышесказанное, то получится, что энтропия является мерой беспорядка или неопределённости системы и её частей. Интересен тот факт, что всё в природе стремится к максимуму энтропии, а человек — к максимуму информации. И все рассмотренные выше теории направлены на установление баланса между стремлением человека и естественными природными процессами.

Источник: obrazovanie.guru

Что называют «энтропией» на простом языке?

«Entropia«, в переводе с греческого поворот, превращение. Это слово можно определить, как меру беспорядка, стремление к хаосу. Для точного определения энтропии используются математические расчеты. Лучше всего ее эффект показывают примеры термодинамики, в которых процесс перехода тепла в механическую работу не является абсолютным. Часть его будет преобразована в другие виды энергии.

Совсем простой пример энтропии

Представим подготовку квартиры или офиса к праздничному мероприятию. Все вымыто, аккуратно разложено, столы накрыты, стулья расставлены. Получилась маленькая энтропия. Праздник идет по полной программе. Танцы, хлопушки, фейерверки! Гости расходятся. В квартире полный хаос. Вы получаете систему с большим показателем энтропии. Надо приводить помещение в порядок. Вы тратите на уборку свои силы, энергию. Через время величина энтропии в системе снижается. Порядок восстановлен. И все в соответствии со вторым законом термодинамики. Была добавлена энергия извне. И система теперь не может считаться изолированной.

На все вопросы есть простые ответы

Рудольф Клаузиус и Людвиг Больцман об энтропии

Термин entropia, впервые введенный немецким ученым Рудольфом Клаузисом в 1865-ом г., применялся для объяснения невозможности передачи теплоты из холодного в более теплое тело. Смысл термина определял «уход в себя” или “вовнутрь”. Идея “ухода в себя” в свою очередь заинтересовала учёного из Австрии Людвига Больцмана. Он провел ряд исследовательских работ и дал следующее разъяснение процесса энтропии.

Возьмем за основу любую систему. Например, газ в сосуде. Он имеет ряд характеристик, которые показывают его макросостояние:

  • температура;
  • давление;
  • объем.

Все эти показатели будут неразрывно связаны с микросостоянием системы:

  • расположение частиц;
  • скорость движения частиц.

Состояние системы непрерывно меняется. Это стремление к неорганизованности, к увеличению энтропии. И, одновременно, происходит поиск системой своего самого возможного состояния — равновесия. Следовательно, когда мы говорим о росте энтропии, это означает, что эта система пытается прийти к равновесию.

Вне зависимости от того, насколько хаотично будет происходить движение частиц в сосуде, скорость их движения всегда будет приближена к средней величине. В этом случае, энтропия будет максимальной.

Таким образом, считает Больцман, значение энтропии определяет вероятность микросостояния тела.

Энтропия и «демон Максвелла”

Классический пример “демона” рассматривался неоднократно в различных научных работах и трудах. Есть простое и ясное описание его сути данное «отцом кибернетики” Нобертом Винером. Рассмотрим резервуар, наполненный газом. Температура внутри его будет одинаковая. Скорость движения некоторого числа молекул газа больше, чем остальных.

Добавим в конструкцию тепловой двигатель и две трубы. Соединим резервуар и тепловой двигатель трубой. Вторая труба соединит выходное отверстие двигателя и газовую камеру. Входы из резервуара в двигатель и из двигателя в камеру снабдим маленькими дверцами, возле которых будут сидеть маленькие «демоны”. Их задача открыть или закрыть дверцу в зависимости от того как будут двигаться молекулы.

Первый демон будет открывать дверь только молекулам, имеющим большую скорость. Второй пропустит только самые медленные частицы. Итог работы — температура в резервуаре возле первого демона повысится, возле второго — понизится. Получаем источник абсолютно полезной энергии из случайного движения.

Связь между энтропией и информацией

“Демоны” смогли понизить уровень энтропии. Хотя по законам физики, она должна возрастать. С этим парадоксом справился уже венгерский физик Л. Сциллард. Его работа завершила исследование Максвелла.
Во время своей работы демон использует дополнительные силы, которые он тратит на усилия открыть или закрыть дверь. Демон снижает энтропию, но рассчитывается за процесс информации — можно ли пропустить данную частицу, своей энергией.
Мы получаем доказательство, что информация и энтропия неразрывно связаны между собой. Соответственно информация имеет обратную зависимость от энтропии. С помощью информации мы определяем направление движения частиц, определяем их скорость, производим оценку их движения. Под это правило подойдет любая другая категория. Например: разный смысл букв или символов.

На основании этих выводов, К Шеннон стал создателем формулы энтропии, применяемой для учета информации, где первая является мерой хаоса, вторая же несет в себе упорядоченность.

Понятие «энтропии» в настоящее время применяется в математике, информатике, биологии, химии, физике, психоанализе и социологии. Его применяют в случаях, когда надо проследить способность системы к потерям внутренней энергии и распаду, описать направление процесса.

Источник: fin-journal.ru

Определение

Энтропия (в переводе с древнегреческого – поворот, превращение) – это мера, степень неупорядоченности (хаоса) какой-либо системы. Используется в следующих точных и естественных науках:

  • В математике означает поиск логарифма числа доступных состояний системы;
  • В статистической науке – вероятностная величина наступления любого макроскопического состояния системы;
  • В термодинамике (физика) – степень необратимой диффузии энергии, т.е. стандартная величина ее потерь, которые неизбежны при взаимодействии более горячего тела с более холодным;
  • В информатике – означает информационную емкость системы. Интересным фактом является следующее: Клод Шеннон (основоположник этого термина в информационной теории) первоначально думал назвать энтропию информацией.

Сферы использования энтропии

История возникновения

Впервые понятие энтропии было введено в эпоху развития термодинамики, когда возникла необходимость в изучении процессов, происходящих внутри термодинамических тел. В 1865 году ученый-физик из Германии Рудольф Клаузиус этим термином описал состояние системы, в котором теплота имеет способность преобразовываться в иные виды энергии (механическую, химическую, световую и т.д.).

Рудольф Клаузиус

Прирост энтропии вызван притоком тепловой энергии в систему и связан с температурой, при которой этот приток возникает. Необходимость этой величины была вызвана тем, что вся физика строится на идеализации абстрактных объектов (идеальный маятник, равномерное движение, масса и т.д.).

В бытовом понимании энтропия представляет собой степень хаотичности и неопределенности системы: чем больше в системе упорядоченности, и чем больше ее элементы подчинены какому-либо порядку, тем меньше энтропия.

Пример: Шкаф – это определенная система. Если в нем все вещи лежат на своих местах, то энтропия меньше. Если же все вещи разбросаны и лежат не на своих полках, то соответственно она становится больше.

С этим термином тесно связана тепловая функция энтальпии – характеризует состояние термодинамической системы в состоянии равновесия при выборе ряда независимых переменных, таких как давление, энтропия и число частиц.

Величина, противоположная энтропии, называется экстропией.

Виды энтропии

Области применения:

  • физическая химия;
  • экономические науки;
  • статистическая физика или информационная теория;
  • социологическая наука.

Рассмотрим подробнее виды энтропии в каждой из областей ее применения.

В термодинамике

Второе начало термодинамики

В термодинамике (физической химии) энтропия – это та степень, в которой реальный процесс отклоняется от идеального. Основной постулат термодинамики, сформулированный физиками на базе изучения энтропии: каждая система термодинамики, которая изолирована от внешнего мира, постепенно становится равновесной и впоследствии не имеет возможности выйти самостоятельно из состояния равновесия. Беспорядок – основная характеристика состояния любой системы. Из него она стремится к равновесию.

Возникает вопрос: с помощью чего определить степень беспорядка?

Основной метод: каждому возможному состоянию системы присваивается число вариантных комбинаций, которыми это состояние может быть реализовано.

Вывод: чем больше число вариантов, тем больше величина энтропии. Чем больше организованности в структуре вещества, тем меньше его неупорядоченность.

Абсолютная величина энтропии равна приращению имеющейся в системе тепловой энергии в условиях теплопередачи при заданной температуре.

Клазиус определял энтропию как совокупность приведенных тепловых энергий, как функцию состояния системы, которое остается неизменным в условиях замкнутости, а в условиях открытых необратимых процессов – оно всегда положительно изменяется. Ее значение отражает связь между макро- и микросостояниями. Это единственная функциональная величина, показывающая направленность процессов. Но она не показывает сам процесс перехода состояний из одного в другое, а находится лишь исходным и итоговым состоянием системы.

В экономике

Энтропия в экономике

Коэффициент энтропии дает возможность проанализировать уровень концентрации рынка и его изменение. Чем этот коэффициент ниже, тем меньше неопределенность внешней среды, что ведет к повышению вероятности возникновения монополий. Этот показатель выступает в качестве косвенного помощника в оценивании выигрыша, который получает предприятие в ходе ведения монополистической деятельности или в условиях изменения рыночной концентрации (влияет на число потенциальных конкурентов фирмы).

В информатике или статистической физике

Энтропия в статической физике

Информационная энтропия – это степень непредсказуемости информационной системы. Этот показатель служит для определения степени хаотичности эксперимента, который проводится или произошедшего события. Значение хаотичности прямопропорционально числу состояний, нахождение системы в которых возможно. Все действия, направленные на упорядочивание системы, ведут к появлению информационных сведений о ней и снижают информационную неопределенность, которая выявляет пропускную способность информационного канала, обеспечивающую надежность и достоверность передачи информационных данных. Это позволяет прогнозировать частично возможный ход эксперимента, т.е. предсказывать вероятность того или иного события.

Пример: расшифровка закодированного текста. Для этого анализируется вероятность возникновения того или иного символа и высчитывается величина их энтропии.

В социологии

Энтропия в социологии

Энтропия – показатель, характеризующий отклонение общественной системы или ее составных частей от заданного (образцового) состояния. Проявления этого отклонения:

  • уменьшение эффективности общественного развития и жизнедеятельности общества как целостной системы;
  • снижение способности к самоорганизации.

Пример: персонал организации настолько загружен бумажной работой (составлением отчетов, ведением документации), что не может успевать выполнять свои должностные функции и обязанности (осуществление аудита). Мера неэффективного использования трудовых ресурсов собственником предприятия – это информационная неопределенность.

Примеры

Из бытовой жизни:

  1. При написании sms-сообщений на мобильном телефоне мы часто пользуемся программой Т9. Чем меньше ошибок в печатаемом нами слове, тем процесс его распознания программой будет легче и она быстрее предложит нам его замену. Вывод: чем больше беспорядка, тем больше информационная неопределенность.
  2. Когда мы бросаем два кубика при игре в кости, существует только один способ выкинуть комбинацию 2 или 12 (1 и 1, 6 и 6). Самое максимальное число способов выкинуть число 7 (6 вероятных комбинаций). Непредсказуемость в данном случае будет максимальной.
  3. Информация о количестве учеников больше в течение урока, чем во время перемены. Поскольку на уроке каждый ученик сидит на своем месте, то энтропия ниже. За пределами класса для передвижения школьников характерна хаотичность, что ведет к увеличению значения энтропии.
  4. Если прибрать на рабочей парте, разложить предметы по своим местам, то можно больше получить информации о том или ином предмете, находящемся на ней. Упорядоченность вещей на парте снижает величину энтропии.

Источник: advi.club


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.