Ентропія (в перекладі з давньогрецької – поворот, перетворення) – це міра, ступінь невпорядкованості (хаосу) будь-якої системи. Використовується в наступних точних і природничих науках:

В математиці означає пошук логарифма числа доступних станів системи;
У статистичній науці – імовірнісна величина настання будь-якого макроскопічного стану системи;
У термодинаміки (фізика) – ступінь незворотною дифузії енергії, тобто стандартна величина її втрат, які неминучі при взаємодії більш гарячого тіла з більш холодним;
В інформатиці – означає інформаційну ємність системи. Цікавим фактом є наступне: Клод Шеннон (основоположник цього терміна в інформаційній теорії) спочатку думав назвати ентропію інформацією.

Просто про складне

Ентропія – це поняття, яке використовується не в одній області людської діяльності, тому визначення її може бути дещо розмитим. Даний термін відображає величину, і суть її можна розібрати на простих прикладах. Ентропія – це ступінь безладу, ступінь невизначеності і невпорядкованості.

Ентропію високого ступеня можна уявити наочно як вулицю з розкиданими жмутами паперу. Якщо паперу складені акуратно в стопку, то система впорядкована, і ентропія при цьому має низьку ступінь. Показники ентропії необхідно знижувати, і для цього слід затратити чимало часу, склеїти паперу по шматочках і зібрати їх в стопку.

Якщо має місце ентропія закритою системи, то тут також все просто. Закриту систему можна уявити собі як закриту шафу, якщо речі в ньому розкидані, то впливати на них ззовні не вийти, і хаос в шафі буде присутній тривалий час.

Згодом речі разложатся, і це призведе до порядку, але речей необхідно довго розкладатися, наприклад, для вовняної шкарпетки знадобитися 5 років, а для шкіряного взуття – близько 40 років. У наведеному прикладі шафа виступає в якості ізольованої системи, а розкладання речей у ньому – це наведення порядку в структурах.

Мінімальною є ентропія, яка стосується макроскопічних об’єктів, їх можна спостерігати неозброєним оком. Що ж стосується більш високих показників, то найчастіше їх має вакуум.

Історія виникнення

Вперше поняття ентропії було введено в епоху розвитку термодинаміки, коли виникла необхідність у вивченні процесів, що відбуваються всередині термодинамічних тел. У 1865 році вчений-фізик з Німеччини Рудольф Клаузіус цим терміном описав стан системи, в якому теплота має здатність перетворюватися в інші види енергії (механічну, хімічну, світлову і т.д.).

Приріст ентропії викликаний припливом теплової енергії в систему і пов’язаний з температурою, при якій цей приплив виникає. Необхідність цієї величини була викликана тим, що вся фізика будується на ідеалізації абстрактних об’єктів (ідеальний маятник, рівномірний рух, маса і т.д.).

У побутовому розумінні ентропія є мірою хаотичності і невизначеності системи: чим більше в системі впорядкованості, і чим більше її елементи підпорядковані якомусь порядку, тим менше ентропія.

Приклад: Шафа – це певна система. Якщо в ньому всі речі лежать на своїх місцях, то ентропія менше. Якщо ж всі речі розкидані і лежать не на своїх полицях, то відповідно вона стає більше.

З цим терміном тісно пов’язана теплова функція ентальпії – характеризує стан термодинамічної системи в стані рівноваги при виборі ряду незалежних змінних, таких як тиск, ентропія і число частинок.

Величина, протилежна ентропії, називається екстропіей.

види ентропій

Цей термін використовується в термодинаміки, економіці, теорії інформації і навіть в соціології. Що ж він визначає в цих областях?

У фізичної хімії (термодинаміки)

Основний постулат термодинаміки про рівновагу: будь-яка ізольована термодинамічна система приходить в рівноважний стан з плином часу і не може з нього вийти мимовільно. Тобто кожна система прагне в рівноважний для неї стан. І якщо говорити зовсім простими словами, то такий стан характеризується безладом.

Ентропія – це міра безладу. Як визначити безлад? Один із способів – приписати кожному стану число варіантів, якими цей стан можна реалізувати. І чим більше таких способів реалізації, тим більше значення ентропії. Чим більше організовано речовина (його структура), тим нижче його невизначеність (хаотичність).

Абсолютне значення ентропії (S абс.) Дорівнює зміні наявної у речовини або системи енергії під час теплопередачі при даній температурі. Його математична величина визначається з значення теплопередачі (Q), розділеного на абсолютну температуру (T), при якій відбувається процес: S абс. Q / T. Це означає, що при передачі великої кількості теплоти показник S абс. збільшиться. Той же ефект буде спостерігатися при теплопередачі в умовах низьких температур.

В економіці

В економіці використовується таке поняття, як коефіцієнт ентропії. За допомогою цього коефіцієнта досліджують зміна концентрації ринку і її рівень. Чим вище значення коефіцієнта, тим вище економічна невизначеність і, отже, ймовірність появи монополії знижується. Коефіцієнт допомагає побічно оцінити вигоди, придбані фірмою в результаті можливої монопольної діяльності або при зміні концентрації ринку.

У статистичній фізиці або теорії інформації

Інформаційна ентропія (невизначеність) – це міра непередбачуваності або невизначеності деякої системи. Ця величина допомагає визначити ступінь безладності проведеного експерименту або події. Чим більше кількість станів, в яких може перебувати система, тим більше значення невизначеності. Всі процеси упорядкування системи призводять до появи інформації і зниження інформаційної невизначеності.

За допомогою інформаційної непередбачуваності можна виявити таку пропускну здатність каналу, яка забезпечить надійну передачу інформації (в системі закодованих символів). А також можна частково передбачати хід досвіду або події, ділячи їх на складові частини і вираховуючи значення невизначеності для кожної з них. Такий метод статистичної фізики допомагає виявити ймовірність події. З його допомогою можна розшифрувати закодований текст, аналізуючи ймовірність появи символів і їх показник ентропії.

Існує таке поняття, як абсолютна ентропія мови. Ця величина виражає максимальну кількість інформації, яку можна передати в одиниці цієї мови. За одиницю в цьому випадку приймають символ алфавіту мови (біт).

У соціології

Тут ентропія (інформаційна невизначеність) є характеристикою відхилення соціуму (системи) або його ланок від прийнятого (еталонного) стану, а проявляється це в зниженні ефективності розвитку і функціонування системи, погіршенні самоорганізації. Простий приклад: співробітники фірми так сильно завантажені роботою (виконанням великої кількості звітів), що не встигають займатися своєю основною діяльністю (виконанням перевірок). У цьому прикладі мірою недоцільного використання керівництвом робочих ресурсів буде інформаційна невизначеність.

Як ентропія проявляється в нашому житті

За допомогою ентропії можна пояснити багато незрозумілі і дивовижні факти, наприклад:

Чому наше життя так незвичайна

Уявіть людський організм. Атоми, з яких складається тіло, могли б скластися практично в нескінченну кількість варіантів і не створити ніякої форми життя. C точки зору математики, ймовірність нашого існування дуже мала. І все-таки ми існуємо.

У Всесвіті, де всім заправляє ентропія, наявність життя з такою чіткою стійкою організацією разюче.

Чому нам подобаються мистецтво і краса

За допомогою ентропії можна пояснити, чому мистецтво і краса здаються нам такими естетично привабливими. Художник створює особливу форму порядку і симетрії, яку Всесвіт, швидше за все, ніколи не породила б самостійно. Число красивих комбінацій набагато менше загальної кількості всіх комбінацій. Краса – рідкість у Всесвіті, повної безладу. Тому симетричне особа рідко і красиво, адже несиметричних варіантів незрівнянно більше.

Чому ідеальні для себе умови потрібно не знайти, а створити

У кожного з нас свої таланти, навички та інтереси. Але суспільство і культура, в яких ми живемо, не створювалися спеціально під нас. Пам’ятаючи про ентропію, подумайте, які шанси, що умови, в яких ви виросли, ідеальні для розкриття ваших талантів?

Вкрай малоймовірно, що життя створить для вас ситуацію, що ідеально підходить під ваші здібності. Швидше за все, ви опинитеся в становищі, не зовсім відповідному вашим навичкам і потребам.

Ми зазвичай описуємо такий стан, як «не в своїй тарілці», «не в своїй стихії». Природно, в таких умовах набагато складніше домогтися успіху, принести користь, перемогти. Знаючи це, ми повинні самі створювати для себе ідеальні умови жізні.Сложності в житті виникають не тому, що планети так вишикувалися, і не тому, що якісь вищі сили змовилися проти вас. Це просто діє закон ентропії. Станів безладу набагато більше, ніж упорядкованих. З огляду на все це, дивно не те, що в житті є проблеми, а то, що ми можемо їх вирішувати.

Рівняння і розрахунок ентропії

Існує кілька способів обчислення ентропії. Але два найбільш поширених рівняння відносяться до оборотних термодинамічних і ізотермічним процесам (з постійною температурою).

Ентропія і теплова смерть Всесвіту

Деякі вчені пророкують, що ентропія Всесвіту зросте до такої міри, що створить систему, нездатну до корисної праці. І залишиться тільки теплова енергія. Всесвіт, за їхніми словами, помре від теплової смерті.

Однак інші вчені заперечують теорію теплової смерті. Вони стверджують, що Всесвіт як система рухається все далі і далі від ентропії. Навіть якщо ентропія всередині її деяких внутрішніх областей
збільшується.

Інші вважають Всесвіт частиною ще більшої системи. Треті кажуть, що можливі стани не мають рівної ймовірності. Тому звичайні рівняння для обчислення ентропії не мають ніякого значення.

Найпоширеніші формулювання ентропії в фізиці

Багато відомих фізики намагалися доступним для простих людей пояснити поняття ентропії. Виділимо 3 найбільш відомі формулювання пояснення.

затвердження Клаузиуса

Нагрівання тіла з більш високою температурою неможливий за допомогою тіла з більш низькою температурою.

На прикладі це виглядає так – поставити чайник з водою на шматок льоду можна (апріорі температура води вища за температуру льоду), але дочекатися, що вода закипить не вийде. Хоча перші 2 початку термодинаміки не відкидають такої можливості.

формулювання Томсона

У замкнутій системі неможливий процес, єдиним результатом якого була б робота, що здійснюються за рахунок теплової енергії отриманої від будь-якого тіла.

затвердження Больцмана

Зменшення ентропії в замкнутій системі неможливо.

Це формулювання викликає безліч суперечок, хоча інтуїтивно все зрозуміло. У занедбаному житло буде наростати хаос – осяде пил, деякі речі розваляться. Навести порядок можна, але тільки приклавши зовнішню енергію, тобто роботу прибиральника.

Проблема в тому, що Всесвіт в сучасних уявленнях є замкнутою системою. Утворилася вона десь 14-15 мільярдів років тому. За цей час її ентропія привела б до того, що галактики розпалися, зірки згасли і ніяких нових зірок не з’явилося б в принципі. А адже нашому Сонцю не більше 5 мільярдів років, та й Всесвіт у цілому не прийшла в стан хаосу.

Ентропія: тезисно і на прикладах

Приклад. Програма Т9. Якщо в слові буде невелика кількість помилок, то програма легко розпізнає слово і запропонує його заміну. Чим більше помилок, тим менше інформації про вводиться слові буде у програми. Отже, збільшення безладу призведе до збільшення інформаційної невизначеності і навпаки, чим більше інформації, тим менше невизначеність.

Приклад. Гральні кубики. Викинути комбінацію 12 або 2 можна тільки одним способом: 1 плюс 1 або 6 плюс 6. А максимальним числом способів реалізується число 7 (має 6 можливих комбінацій). Непередбачуваність реалізації числа сім найбільша в цьому випадку.

У загальному сенсі ентропію (S) можна розуміти як міру розподілу енергії. При низькому значенні S енергія сконцентрована, а при високому – розподілена хаотично.

Приклад. Н2О (всім відома вода) в своєму рідкому агрегатному стані буде мати більшу ентропією, ніж в твердому (лід). Тому що в кристалічному твердому тілі кожен атом займає певне положення в кристалічній решітці (порядок), а в рідкому стані у атомів певних закріплених положень немає (безлад). Тобто тіло з більш жорсткою впорядкованістю атомів має більш низьке значення ентропії (S). Білий алмаз без домішок має найнижчим значенням S в порівнянні з іншими кристалами.

Приклад. Молекула знаходиться в посудині, який має ліву і праву частину. Якщо ви не впевнені, в якій частині судини знаходиться молекула, то ентропія (S) буде визначатися за формулою S = S max = k lgW, де k-число способів реалізації, W- кількість частин судини. Інформація в цьому випадку буде дорівнює нулю I = I min = 0. Якщо ж точно відомо, в якій частині судини знаходиться молекула, то S = S min = k ln1 = 0, а I = I max = log 2 W. Отже, чим більше інформації, тим нижче значення інформаційної невизначеності.

Приклад. Чим вище порядок на робочому столі, тим більше інформації можна дізнатися про речі, які на ньому знаходяться. В цьому випадку впорядкованість предметів знижує ентропію системи «робочий стіл».

Приклад. Інформація про клас більше на уроці, ніж на перерві. Ентропія на уроці нижче, так як учні сидять упорядковано (більше інформації про місцезнаходження кожного учня). А на перерві розташування учнів змінюється хаотично, що підвищує їх ентропію.

Приклад. При реакції лужного металу з водою виділяється водень. Водень-це газ. Так як молекули газу рухаються хаотично і мають високу ентропію, то розглянута реакція відбувається зі збільшенням її значення.

З побутового життя:

При написанні sms-повідомлень на мобільний телефон ми часто користуємося програмою Т9. Чим менше помилок в друкованому нами слові, тим процес його розпізнання програмою буде легше і вона швидше запропонує нам його заміну. Висновок: чим більше безладу, тим більше інформаційна невизначеність.
Коли ми кидаємо два кубика при грі в кістки, існує тільки один спосіб викинути комбінацію 2 або 12 (1 і 1, 6 і 6). Саме максимальне число способів викинути число 7 (6 ймовірних комбінацій). Непередбачуваність в даному випадку буде максимальною.
Інформація про кількість учнів більше протягом уроку, ніж під час перерви. Оскільки на уроці кожен учень сидить на своєму місці, то ентропія нижче. За межами класу для пересування школярів характерна хаотичність, що веде до збільшення значення ентропії.
Якщо прибрати на робочої парті, розкласти предмети по своїх місцях, то можна більше отримати інформації про той чи інший предмет, що знаходиться на ній. Впорядкованість речей на парті знижує величину ентропії.

Важливо! Все, що нас оточує, має прагнення підвищити ентропію. Людина має намір отримати з навколишнього світу максимальну кількість інформації. Всі теоретичні напрямки вивчення ентропії (у фізиці, хімії, економіці, математиці, соціології) мають на меті встановити баланс (рівновага) між намірами і бажаннями людей і природними процесами, які відбуваються в природі.

Ентропія: що це таке простими словами

Російська мова, як і будь-який інший, постійно змінюється під пресом постійного технологічного запозичення і співпраці з іншими державами. Завдяки цьому, наша мова багатий на різні іншомовні запозичення.

Одним з відносно нових слів в російській мові стало слово «ентропія», яке зустрічалося багатьом з нас, але далеко не кожен розуміє, що ж воно насправді означає.

Що таке ентропія простими словами

Найчастіше слово «ентропія» зустрічається, звичайно ж, в класичній фізиці. Це одне з найскладніших понять даної науки, тому навіть студенти фізичних вузів нерідко стикаються з проблемами при сприйнятті даного терміну.

Це цілком конкретна координата – столиця Російської Федерації – однак, Москва місто немаленький, тому вам все ще залишається невідомою точна інформація про моє місцезнаходження. А ось коли я назву вам свій, наприклад, поштовий індекс, то ентропія про мене, як предмет, знизиться.

Це не зовсім точна аналогія, тому для уточнення наведемо ще один приклад. Припустимо, ми з вами візьмемо десять гральних шестигранних кубиків. Кинемо їх все по черзі, а потім я повідомлю вам суму випали показників – тридцять.

Виходячи з суми всіх результатів, ви не зможете точно сказати, яка цифра і на якому кубику випала – вам банально не вистачає для цього даних. У нашому випадку кожна випала цифра на мові фізиків буде називатися микростанів, а сума, що дорівнює тридцяти, на все тому ж фізичному говіркою буде іменуватися макросостояніем.

Якщо ми порахуємо, скільки можливих микросостояний можуть нам в сумі дати три десятка, то прийдемо до висновку, що їх кількість сягає майже трьох мільйонів значень. Використовуючи спеціальну формулу, ми можемо порахувати і показник ентропії в даному імовірнісний експерименті – шість з половиною.

Звідки взялася половина, можливо, запитаєте ви? Ця дрібна частина з’являється через те, що при нумерації в сьомому порядку ми можемо оперувати лише трьома числами – 0, 1 і 2.

Сучасне слово «ентропія» має грецьке коріння, тому через переведення її нерідко називають «мірою хаосу». Припустимо, ви вирішили влаштувати у себе в квартирі застілля з приводу дня народження маленької дочки.

Прибрали всю квартиру, перемили підлоги і вікна, вимили дочиста посуд, а потім красиво і елегантно розклали весь посуд на столі. Початковий побутової хаос вашої квартири значно зменшився, отже, ваш будинок став системою з маленькою ентропією.

Ентропія у Всесвіті

За прогнозами астрофізиків, один з варіантів розвитку Всесвіту – це теплова смерть.

Наша всесвіт являє собою (уявіть, наскільки прозірливими були в цьому плані стародавні греки) сущий хаос, в якому постійно щось відбувається: народжуються і вмирають зірки, утворюються нові галактики, коротше, краса! В один прекрасний момент ентропія Всесвіту досягне максимуму і відбуватися в ній стане просто нема чому. Ось вам і смерть від неробства.

Хаосом пронизаний весь космос, вся наша природа, аж до атомів і елементарних частинок. Все знаходиться в постійному русі і взаємодії, немов прекрасно спрацьований механізм. А керують усіма цими процесами закони, які ми, жалюгідні людці, можемо висловити не менше прекрасним математичною мовою.

Але як же при такому рівні ентропії (тобто, хаосу) у Всесвіті взагалі могло що-небудь виникнути? Відповідь на це питання дуже простий. Вся матерія передає рівень своєї ентропії своєму ж оточенню, всьому, до чого можуть дотягнутися.

Наприклад, для регуляції рівня ентропії на Землі – зірка на ім’я Сонце постійно постачає нас енергією, яку виробляє за рахунок безперервної термоядерної реакції на її поверхні.

Якби наша планета була замкнутою системою, то, згідно з другим законом термодинаміки, ентропія всередині неї могла б лише збільшуватися, але, як ви вже зрозуміли, Сонце дозволяє нам тримати рівень ентропії Землі в нормі.

Ентропією і хаосом просякнуте все, що нас оточує і навіть те, що знаходиться всередині нас. У газах і рідинах ентропія грає ключові ролі, навіть наші миттєві бажання і пориви насправді є нічим іншим, як породженням загального вселенського хаосу.

Чи не складно прийти в черговий раз до красивого висновку: Всесвіт, скільки величезна б вона не була, є сукупність нескінченної кількості частинок найрізноманітнішої величини і не менш різноманітних властивостей.

Все в ній від елементарного бозона до Альфа Центавра і цілих галактик пов’язане непомітними нитками. Подібні відкриття фізиків вражають не лише своєю складністю, а й красою.

Здавалося б, звичайні математичні та фізичні формули на дошках неголених замислених чоловіків в окулярах є ключовими факторами для нашого пізнання самих і себе і нашого місця в величезному Всесвіті.

Сподіваємося, що дана стаття допомогла вам прояснити, чому ж насправді є ентропія, в яких випадках дане слово використовується, а також до чого відкриття даного показника привело вчених і філософів.

Хто знає, можливо прочитання цієї статті надихне вас на цілеспрямоване вивчення цієї прекрасної науки – фізики. Так чи інакше, цікавитися наукою сучасній людині просто життєво необхідно, хоча б для власного розвитку.

На закінчення

Якщо об’єднати все вищесказане, то вийде, що ентропія є мірою безладдя або невизначеності системи і її частин. Цікавим є той факт, що все в природі прагне до максимуму ентропії, а людина – до максимуму інформації.

Використані джерела і корисні посилання по темі: https://advi.club/psihologiya-i-obshhestvo/183-entropiya-prostymi-slovami.html https://obraz-ola.ru/prochee/razbiraemsya-chto-takoe-entropiya .html https://tvercult.ru/nauka/entropiya-chto-eto-takoe-obyasnenie-termina-prostyimi-slovami https://Lifehacker.ru/entropy/ https://zen.yandex.ru/media/alivespace / chto-takoe-entropiia-5d98e1ab43863f00b19f8f80 https://zen.yandex.ru/media/popsci/chto-takoe-entropiia-i-kak-ona-sviazana-s-materiei-i-energiei-5c55ad170280ed00aea30fbe https: // obrazovanie .guru / nauka / entropiya-chto-eto-takoe-obyasnenie-termina-prostymi-slovami.html

Джерело запису: lastici.ru