Warto przeczytać

Wiele procesów w przyrodzie przebiega w jednym kierunku. Herbata w kubku, która ostygła, przekazawszy ciepło do otoczenia, nie zrobi się znów gorąca, pobierając samoistnie ciepło z otaczającego powietrza. Sprężony gaz wypuszczany z butli wypełnia całe pomieszczenie i nie powraca już z powrotem do butli. Takie procesy, które przebiegają w jednym kierunku nazywamy nieodwracalnymi. Aby zrozumieć dlaczego procesy termodynamiczne są nieodwracalne, trzeba wziąć pod uwagę, że wszystkie układy termodynamiczne składają się z ogromnej liczby molekuł, czyli atomów lub cząsteczek chemicznych. Molekuły poruszają się chaotycznie, zderzają ze sobą i wciąż zmieniają kierunki i wartości swoich prędkości. Kiedy ciało makroskopowe - na przykład popchnięty samochód‑zabawka - porusza się, wszystkie cząsteczki, z których się składa, przesuwają się średnio w tym samym kierunku. Gdy samochód zatrzyma się pod wpływem siły tarcia, jego energia kinetyczna zostanie przekazana cząsteczkom otoczenia - podłoża i powietrza, które nieznacznie się ogrzeją - a więc rozproszy się w energię kinetyczną wielkiej liczby molekuł, które poruszają się bezładnie.

Przekazywanie ciepła od gorącego do chłodnego ciała również jest rozpraszaniem energii. Wyższa temperaturatemperaturatemperatura to większa średnia energia kinetyczna cząsteczek. Wymiana ciepła w takim przypadku oznacza wyrównanie średnich energii kinetycznych molekuł.

Zauważmy, że w obu przykładach proces przebiega od stanu bardziej uporządkowanego do mniej uporządkowanego. Ruch cząsteczek w jednym kierunku w jadącym samochodziku to stan bardziej uporządkowany niż chaotyczny ruch cząsteczek otoczenia po tym, jak zabawka się zatrzyma. Podobnie: rozdzielenie cząsteczek o średnio większych energiach kinetycznych od cząsteczek o średnio mniejszych energiach kinetycznych to stan bardziej uporządkowany niż wyrównanie średnich energii kinetycznych.

Dlaczego układy dążą do stanu mniej uporządkowanego? Po prostu taki stan jest bardziej prawdopodobny. Wyobraźmy sobie pudełko z przegrodą dzielącą je na pół (Rys. 1.). Gdy wrzucimy do niego 10 kulek i potrząśniemy, to częściej kulki wpadną do obu części (b), niż wszystkie do jednej (a). Jeśli zwiększymy liczbę kulek do 1000, to trzeba by powtarzać doświadczenie bardzo dużo razy, aby uzyskać taki rezultat jak na Rys. 1. (a). PrawdopodobieństwoprawdopodobieństwoPrawdopodobieństwo zgromadzenia się kulek w jednej połowie naczynia maleje wraz ze wzrostem liczby kulek. A jeśli tych kulek będzie 10Indeks górny 20²⁰ (w przybliżeniu tyle cząsteczek powietrza mieści się w niewielkim pudełku), to prawdopodobieństwo tego, że kulki wypełnią tylko jedną połowę pudełka, jest praktycznie równe zeru. To dlatego nie zdarza się, żeby cząsteczki powietrza w pokoju, w swoim chaotycznym ruchu, zebrały się w jednej części pokoju, a w drugiej pozostała próżnia.

RkK7vzl0P4F90

Rys. 1. Ilustracja podzielona jest na dwie części, górną mała litera a i dolną mała litera b. W obu częściach widoczny jest niebieski pojemnik w postaci ułożonego poziomo prostopadłościanu z ciemnoniebieską przegrodą w połowie jego długości. W części górnej mała litera a w pojemniku znajduje się dziesięć małych, czerwonych kulek. Wszystkie kulki znajdują się w lewej części pudełka podzielonego na dwie równe części przegrodą. W części dolnej mała litera b w pojemniku nadal widocznych jest dziesięć małych czerwonych kulek, ale tym razem pięć z nich widocznych jest w lewej części pojemnika podzielonego przegrodą a pięć w części prawej.

Podsumowując, stany mniej uporządkowane (kulki rozmieszczone równomiernie w obu częściach pudełka) są bardziej prawdopodobne niż stany o większym stopniu uporządkowania (kulki w jednej połowie pudełka). Procesy w przyrodzie przebiegają w ten sposób, że układy termodynamiczne samorzutnie przechodzą od stanów mniej prawdopodobnych do stanów bardziej prawdopodobnych, a więc od stanów bardziej uporządkowanych do mniej uporządkowanych. Istnieje wielkość charakteryzująca stan układu, która określa stopień uporządkowania. Jest to entropia.

Entropia jest miarą nieuporządkowania. Stan o większej entropii jest bardziej prawdopodobny.

Wynika stąd prawo wzrostu entropii:

W procesach spontanicznych entropia rośnie.

Można to wyrazić inaczej - mniej naukowo, a bardziej intuicyjnie: w procesach spontanicznych nieporządek rośnie, bo jest bardziej prawdopodobny.

Oczywiście istnieją procesy, w których entropia maleje. Najbliższy nam przykład to zjawisko życia. Żywe organizmy zamieniają proste związki chemiczne na skomplikowane organy. Rośliny przerabiają proste cząsteczki dwutlenku węgla i wody na złożone cząsteczki węglowodanów. W tych procesach zwiększa się uporządkowanie materii i entropia maleje. Ale nie byłoby to możliwe bez dopływu energii.

Inny przykład to sprzątanie. Porządkując pokój, zmniejszamy entropię (Rys. 2.), ale musimy włożyć w tę czynność pracę. Natomiast bałagan, jak dobrze wiemy, robi się sam – entropia wzrasta spontanicznie.

RPb6bdjCzgkjN

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym po lewej stronie widoczne są częściowo uchylone, ciemnoniebieskie drzwi na który widoczna jest biała tabliczka z czerwonym napisem Specjalista do spraw zmniejszania entropii. W prawej części runku, za częściowo uchylonymi drzwiami widoczne jest pomieszczenie, w którym znajdują się środki czystości w białej butelce, niebieskie wiaderko i szczotka oparta o nie oraz nieco większy od butelki baniaczek prawdopodobnie z płynem czyszczącym. Pamiętaj, że prawo wzrostu entropii mówiące, że entropia układu nigdy nie maleje dotyczy układów izolowanych. W przypadku zaprezentowanym na rysunku do hipotetycznego układu, którym jest zabałaganione pomieszczenie dostarczana jest energia poprzez prace wykonaną podczas sprzątania, a zatem układ nie jest izolowany.

Prawo wzrostu entropii dotyczy układów izolowanych, które nie wymieniają energii z otoczeniem. Takim układem jest Wszechświat - choćby dlatego, że ciężko sensownie zdefiniować jego otoczenie! Istnieje hipoteza cieplnej śmierci Wszechświata, zakładająca kres Wszechświata w wyniku osiągnięcia stanu równowagi termicznej, czyli całkowitego wyrównania temperaturtemperaturatemperatur, w wyniku ciągłego wzrostu entropii.

Słowniczek