A fizika világának entrópiája
Az entrópiát gyakran félreértik egyfajta "rendellenességként". De ez nem megy elég messzire. A gőzgépek korlátozott hatékonyságának magyarázata érdekében ezt a kifejezést ma már számos más tudományágban is használják.
A fizikában alig van más olyan kifejezés a fizikán kívül - és oly gyakran eltér a tényleges jelentésétől -, mint az entrópia. A kifejezésnek nagyon szűk jelentése van. Ludwig Boltzmann osztrák fizikus ennek a fizikai mennyiségnek a 19. század második felében konkrét meghatározásával állt elő. Középpontjában a folyadék, azaz a gáz vagy a folyadék mikroszkópos viselkedése állt. Az atomok vagy a benne lévő molekulák rendezetlen mozgását hőként értette, ami meghatározása szempontjából meghatározó volt.
Entrópia a kádban
Egy zárt rendszerben, rögzített térfogattal és rögzített részecskeszámmal, állította Boltzmann, az entrópia arányos a rendszerben lévő mikrostátumok számának logaritmusával. Megértette, hogy a mikrostátumok alatt azt értjük, hogy a befogott folyadék molekulái vagy atomjai el tudnak rendeződni. Képlete az entrópiát a molekulák és atomok „elrendeződési szabadságának” mércéjeként határozza meg: ha a befogható mikropozíciók száma növekszik, akkor az entrópia növekszik. Ha kevesebb módon lehet a folyadék részecskéi rendeződni, az entrópia kisebb.
Boltzmann képletét gyakran úgy értelmezik, mintha az entrópia a „rendellenesség” szinonimája lenne. Ez az egyszerűsített kép azonban könnyen megtévesztő. Példa erre a fürdőkád habja: amikor a buborékok felrepednek, és a víz felszíne sima lesz, úgy tűnik, hogy a rendetlenség csökken. De az entrópia nem ezt teszi! Valójában valóban növekszik, mert a hab megrepedése után a folyadék molekuláinak megmaradásának lehetséges területe már nem korlátozódik a buborékok külső héjára - nőtt az elfogyasztható mikrostátusok száma. Az entrópia nőtt.
Boltzmann-definíció segítségével meg lehet érteni a kifejezés egyik oldalát - de az entrópiának van egy másik, makroszkopikus oldala is, amelyet Rudolf Clausius német fizikus néhány évvel korábban már felfedezett. A 18. század elején feltalálták a gőzgépet, egy klasszikus hőmotort. A hőmotorok a hőmérséklet-különbséget mechanikai munkává alakítják. Abban az időben a fizikusok megpróbálták megérteni, hogy ezek a gépek milyen elveknek engedelmeskednek. A kutatók ingerülten tapasztalták, hogy a hőenergia csak néhány százaléka alakítható mechanikus energiává. A többi valahogy elveszett - anélkül, hogy megértették volna az okát.
Az energia értéke
Úgy tűnt, hogy a termodinamika elméletéből hiányzik egy olyan fizikai koncepció, amely figyelembe veszi az energia különböző vegyértékeit és korlátozza a hőenergia mechanikai energiává történő átalakításának képességét. A megoldás entrópia formájában érkezett. A 19. század közepén Clausius termodinamikai mennyiségként vezette be a kifejezést, és egy olyan tulajdonság makroszkopikus mértékeként határozta meg, amely korlátozza az energia felhasználhatóságát.
Clausius szerint a rendszer entrópiájának változása a leadott hőtől és a jelenlévő hőmérséklettől függ. Arra a következtetésre jut, hogy az entrópia mindig együtt száll át a hővel. Ezenkívül Clausius kijelentette, hogy a zárt rendszerekben az entrópia az energiával ellentétben nem konzervált mennyiség. Ez az ismeret a termodinamika második törvényeként lépett be a fizikába:
"Zárt rendszerben az entrópia soha nem csökken."
Az entrópia ezért mindig növekszik vagy állandó marad. Ez az idő nyílját vezeti be a zárt rendszerek fizikájába, mert az entrópia növekedésével a zárt rendszerek termodinamikai folyamatai visszafordíthatatlanok (vagy visszafordíthatatlanok).
Egy folyamat csak akkor lenne visszafordítható, ha az entrópia állandó maradna. De ez csak elméletben lehetséges. Minden valós folyamat visszafordíthatatlan. Boltzmann szerint azt is lehet mondani: A lehetséges mikroállamok száma folyamatosan növekszik. Ez a mikroszkópos értelmezés kiterjeszti Clausius termodinamikai-makroszkópos értelmezését. Az entrópia végül megoldotta a hőmotorokban eltűnt energia rejtélyét (lásd a keretet). A hőenergia egy része folyamatosan kivonul a mechanikai használhatóságból, és újra felszabadul, mert az entrópia nem csökkenhet zárt rendszerekben.
Sokoldalú felhasználás
Clausius és Boltzmann megállapításai óta az entrópia a fizika más területeire is átköltözött. Még a fizikán kívül is felvették, legalábbis matematikai fogalomként. Például Claude Shannon amerikai matematikus és villamosmérnök 1948-ban bevezette az úgynevezett információs entrópiát. Ezzel a mérettel jellemezte a telefonvonalon történő átvitel információvesztését.
Az entrópia szerepet játszik a kémia és a biológia területén is: Bizonyos nyílt rendszerekben új struktúrák alakulhatnak ki, ha az entrópia kifelé engedik. Ezeknek úgynevezett disszipatív rendszereknek kell lenniük, amelyekben az energiát hőenergiává alakítják. A szerkezet kialakításának ez az elmélete Ilya Prigogine belga fizikai vegyésztől származik. A mai napig olyan művek jelentek meg, amelyek új szempontokat egészítenek ki a koncepció fizikai hatókörével.