თერმოდინამიკური ენტროპია

ენტროპია (ბერძ. Εντροπία [entropia] — „მობრუნება“, „გარდაქმნა“) — მდგომარეობის ფუნქცია, რომელიც ახასიათებსთავისთავადი პროცესების მიმდინარეობის მიმართულებას ჩაკეტილ თერმოდინამიკულ სისტემებში. ენტროპიის თერმოდინამიკური განმარტება, ისევე როგორც ზოგადად ენტროპიის ცნება, შემოღებულ იქნა გერმანელი ფიზიკოსის რუდოლფ კლაუზიუსის მიერ 1850-იან წლებში. კლაუზიუსის თეორემა გვეუბნება, რომ შექცევადი თერმოდინამიკური პროცესების შემთხვევაში ∮ δ Q T = 0 {\displaystyle \oint {\frac {\delta Q}{T}}=0} რაც ნიშნავს, რომ წრფივი ინტეგრალი ∫ δ Q T {\displaystyle \int {\frac {\delta Q}{T}}} მოცემულ საწყის და საბოლოო წერტილებს შორის არ არის დამოკიდებული ინტეგრების გზაზე. ამიტომ შეგვიძლია შემოვიტანოთ სისტემის მდგომარეობის აღმწერი ფუნქცია S, რომლისთვისაც d S = δ Q T {\displaystyle dS={\frac {\delta Q}{T}}\!} S-ს ეწოდება სისტემის ენტროპია. ამ განტოლებიდან შეგვიძლია მხოლოდ ენტროპიის ცვლილების გაგება. ენტროპიის აბსოლუტური მნიშვნელობის დასადგენად საჭიროა ათვლის სათავე, რომელსაც გვაძლევს თერმოდინამიკის მესამე კანონი, რომლის მიხედვითაც, აბსოლუტურ ნულზე ენტროპია მიისწრაფვის ნულისკენ. აღსანიშნავია, რომ ენტროპიის თერმოდინამიკურ განმარტებაში არ ფიგურირებს სისტემის მიკროსკოპული მდგომარეობა. ენტროპია შეგვიძლია ასევე განვიხილოთ სტატისტიკური კუთხით. ამ შემთხვევაში სისტემა უნდა დავახასიათოთ არა მხოლოდ მაკროსკოპული პარამეტრებით (ენერგია, მოცულობა, წნევა, ტემპერატურა და ა.შ.), არამედ უნდა განვიხილოთ როგორც მისი შემადგენელი ატომებისა და მოლეკულების ერთობლიობა. დავუშვათ, მოცემული მაკროსკოპული მდგომარეობის მიღწევა შეიძლება სხვადასხვა მიკროსკოპული მდგომარეობებით, რომელთაგან თითოეულის მოხდენის ალბათობაა Pi, მაშინ S = − k B ∑ i P i ln ⁡ P i , {\displaystyle S=-k_{\mathrm {B} }\sum _{i}P_{i}\ln P_{i}\,,} სადაც kB არის ე.წ. ბოლცმანის მუდმივა. ანუ, რაც უფრო მეტი ისეთი მიკრომდგომარეობა არსებობს, რომლითაც შეიძლება მოცემული მაკრომდგომარეობის მიღწევა, მით მეტია ენტროპია. ამიტომ ენტროპია გარკვეულწილად არის სისტემის მოწესრიგებულობის მაჩვენებელი, რაც უფრო დიდია მოწესრიგებულობა, მით უფრო მცირეა ენტროპია და პირიქით, რაც უფრო მცირეა მოწესრიგებულობა (ანუ სისტემა მოუწესრიგებელია), მით უფრო დიდია ენტროპია. ენტროპიის ეს განმარტება შეიძლება ჩაითვალოს ფუნდამენტურ განმარტებად, რადგან ყველა სხვა განმარტება შეიძლება მივიღოთ აქედან, მაგრამ ამ ფორმულას სხვა ფორმულებიდან ვერ მივიღებთ. თუკი ყველა მიკრომდგომარეობა თანაბარალბათურია, და სულ გვაქვს Ω ასეთი მიკრომდგომარეობა, მივიღებთ S = k B ln ⁡ Ω . {\displaystyle S=k_{\mathrm {B} }\ln \Omega \,.} ეს არის ენტროპიის განმარტების ყველაზე ცნობილი ფორმულა. ენტროპიის სტატისტიკური თეორიის ძირითადი იდეები ეკუთვნის ავსტრიელ ფიზიკოს ლუდვიგ ბოლცმანს, კერძოდ მან დაადგინა, რომ სისტემის ენტროპია დაკავშირებულია ამ სისტემის განხორციელების ალბათობასთან. ზემოთმოყვანილი ფორმულის სახე მის იდეებს მისცა მაქს პლანკმა. მთავარი სტატია: თერმოდინამიკის მეორე კანონი. თერმოდინამიკის მეორე კანონის მიხედვით, ჩაკეტილი სისტემის ენტროპია ვერ შემცირდება. აქედან გამომდინარეობს, მაგალითად, რომ სითბო ვერ გადაეცემა უფრო ცივი სხეულიდან უფრო თბილ სხეულს, თუკი მასზე მუშაობას არ შევასრულებთ. აქედან ასევე გამომდინარეობს, რომ ნებისმიერი მოწყობილობა, რომელიც ციკლურად მუშაობს, ვერ შეასრულებს მუშაობას მხოლოდ ერთი ტემპერატურის რეზერვუარიდან მიღებული ენერგიის საშუალებით. ანუ, თერმოდინამიკის მეორე კანონი გამორიცხავს მეორე ტიპის მუდმივი ძრავის არსებობას. არაიზოლირებული სისტემისთვის ენტროპიის შემცირება შესაძლებელია. მაგალითად, მაცივარი სითბოს ართმევს ცივ შიგთავსს და გადასცემს უფრო თბილ გარემოს (ოთახს), შესაბამისად ამცირებს ენტროპიას. მაგრამ მაცივარი არ არის ჩაკეტილი სისტემა, იგი ამას აკეთებს ენერგიის დახარჯვის შედეგად. ენტროპიის სტატისტიკური განმარტებიდან გამომდინარე შეიძლება ითქვას, რომ თეორიულად ჩაკეტილი სისტემისთვის ენტროპიის შემცირების ალბათობა არსებობს, მაგრამ მაკროსკოპული სისტემებისთვის ეს ალბათობა იმდენად მცირეა, რომ თამამად შეგვიძლია ის ნულის ტოლად ჩავთვალოთ. ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 4, თბ., 1979. — გვ. 161. Entropy - A Basic Understanding