Co je to entropie?

V minulém díle se pokusil Leonard pobavit dívky tím, že jim prozradil vysoce zábavný vědecký fakt, že entropie systému, jehož teplota se nachází blízko absolutní nule (-273,15 stupňů Celsia), je také blízká nule. Co to ale vlastně ta entropie je? Přečtěte si náš článek.

Wikipedie definuje entropii jako stavovou veličinu, udávající „míru neuspořádanosti“ zkoumaného systému. Co však znamená míra neuspořádanosti?

Všechny systémy mají při změně jakýchkoliv podmínek tendenci směřovat do stavů, který bude méně uspořádaný, než na počátku. Například, pokud máme cihličky uspořádané do pyramidy, kterými zatřeseme, nejspíš se skácí na hromadu. Z vlastní zkušenosti každý může očekávat, že i při sebevětším třesení je pravděpodobnost, že se cihličky opět poskládají do pyramidy, prakticky nulová.

Jiným příkladem jsou kuličky dvou barev, pokud je na začátku oddělíme (systém má nízkou entropii), pak při zatřesení se kuličky promíchají a nelze očekávat, že při sebedelším třesení by se opět srovnaly podle barev (systém má vysokou entropii).

Pro chápání entropie bylo podstatné si uvědomit, že tendence jakéhokoliv systému je směřovat do stavu s vyšší entropií. Pokud bychom udělali fotku systému ve dvou různých časech, tak pak ten méně uspořádaný by musel být vyfocen později, než ten více uspořádaný.

Speciálním a více fyzikálně exaktním způsobem, jak chápat entropii, je pomocí teplot dané soustavy a práce (tepla), která je vynaloženo, aby došlo v dané soustavě ke změně. Princip toho, že izolovaný systém směřuje do stavu s nejvyšší entropií, lze aplikovat například na dvě různě teplá tělesa. Podle tohoto principu se jejich teploty budou postupně vyrovnávat, až budou stejné. Nelze nikdy očekávat, že by se například teplejší těleso ještě o něco ohřálo o těleso chladnější. (a s tím také počítá Howard ve svém prohlášení, kdy čeká, že případná krasavice bude žhavější než on, a tak by se o svou „žhavost“ s ním mohla podělit).

Takto je prakticky formulován druhý termodynamický zákon, ze kterého například plyne, že perpetuum mobile druhého typu (tedy to, které mění teplo na práci beze zbytku) nemůže existovat. Svou prací by totiž muselo snižovat svou entropii, což by jako nutný předpoklad vyžadovalo přenos tepla z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.

Představte si to tak, že necháte spadnout závaží, které se zastaví kvůli tření. Tření zvýší nepatrně teplotu okolí. Nicméně toto zvýšení teploty už nikdy nemůže být přeměněno zpět na pohybovou energii, která by vynesla závaží zpět do původní výše.

Takže jaká je entropie tělesa, jehož teplota se blíží absolutní nule? Třetí termodynamický zákon říká, že čistou pevnou látku nelze konečným pochodem ochladit na absolutní nulovou teplotu. To vychází právě z toho, že systémy mají vždy tendenci svou entropii zvyšovat.

Entropii lze chápat i v měřítku celého vesmíru, a sice tak, že současný stav, kdy existují horké hvězdy, planety, a pak převládající plochy studené vesmírné prázdnoty, je právě stavem s nízkou entropií. Celý systém však spěje ke stavu s maximální entropií, tedy stavu, kdy se teploty všech těles vyrovnají na stejnou (a zároveň velmi nízkou) teplotu. Tomuto stavu někdo říká „smrt vesmíru“. Ale nebojte, to ještě nějaký ten pátek potrvá…