エントロピーと熱力学は、物理的または生物学的システムの無秩序の量を測定します。それは、測定可能であり、不確実性、無秩序、またはランダム性の現象と共通の関係または関連性を持つ科学および物理的特性の概念です。この用語と概念は、古典的な熱力学から、統計物理学や情報理論の原理における微視的な自然の記述まで、さまざまな分野で使用されています。それは、化学、物理学、生物システム、および宇宙論、経済学、社会学、気象科学、気候変動、および電気通信における情報の伝送を含む情報システムにおける生活と生命との直接的な関係において、複数の用途があります。システムのエントロピーのレベルが高すぎる場合、そのシステムに関する十分な情報を得ることができません。したがって、情報は負のエントロピーの形式です。
エントロピーと熱力学の発見
1850 年、熱力学は、スコットランドの科学者であり技術者である Macquorn Rankine によって「熱力学関数」および「熱ポテンシャル」と呼ばれました。その後、1865 年に、熱力学分野の創始者の 1 人であるルドルフ・クラウジウスと呼ばれるドイツの物理学者が、瞬間温度に対する微量の熱の商であると定義しました。
次に、ルートヴィヒ・ボルツマンというオーストリアの物理学者が、エントロピーと熱力学の意味を説明しました。彼によると、エントロピーは、システムの巨視的な条件に準拠する原子や分子のいくつかの微視的な配置または個々の状態の尺度です。このように、彼は統計力学と呼ばれる熱力学の新しい分野における統計的無秩序と確率分布の概念を提示しました。彼は、ボルツマン定数と呼ばれる比例定数を持つ単純な対数法則の形で、平均的な構成の周りで変動し続ける微視的相互作用間の関係を発見しました。これは標準の 1 つであり、現代の国際単位系 (SI) の普遍的な定数を定義しています。
1948年、クロード・シャノンと呼ばれる科学者が、電気通信の信号における情報のランダムな損失の問題の不確実性と多重度を測定するために、同じ種類の統計の概念を提唱しました.ジョン・フォン・ノイマンの提案を受けて、シャノンはこの統計力学における欠落情報の実体を「エントロピー」と名付け、情報理論の分野を生み出しました。さらに、この定義はエントロピーの概念の普遍的な定義として認識されています。
エントロピーにはいくつかの結果があり、そのうちのいくつかのプロセスは変更不可能で元に戻せません。エントロピーの概念は、熱力学の第二法則で顕著です。自然に進化するために放置された孤立したシステムのエントロピーは、エントロピーが最も高い熱力学的平衡状態に常に到達するため、時間とともに減少することはありません.
Alfred Wehrl によると、エントロピーは、自然の巨視的側面と微視的側面との間の関係を作り、巨視的システムまたは実際の物質の平衡または平衡に近い挙動について知ることができます。エントロピーは、微視的システムにおけるカオスの量の尺度です。エントロピーの概念は、熱力学の分野で最初に持ち出されました。さらに、熱力学はエネルギーの研究です。それは仕事をする能力であり、システムの内部エネルギー、熱、仕事などのさまざまな形態のエネルギー間の変換です。熱力学の法則は、統計力学から取られています。熱力学には 3 つの法則があります。第一法則によれば、エネルギーは生成も破壊もされず、ある形態から別の形態へと変化することしかできません。この第 1 法則には定式化があり、システム内を流れる熱の量は、内部エネルギーの変化とシステムによって行われた仕事の合計に等しいと述べています。
第 2 法則によれば、貯留層から正の熱を取り出して正の仕事に変換するという独特の効果を持つプロセスを作成または形成することは不可能です。これには、システム内でどのような方法が発生しても、閉じたシステムのエントロピーは決して減少しないという定式化があります。この法則は、どの熱機関も 100% の効率を維持したり管理したりできないことを示しています。熱力学の第 2 法則は、閉じた系の完全なエントロピーは減少できないと述べています。ただし、システムでは、あるシステムのエントロピーが別のシステムのエントロピーを増加させることによって減少する可能性があります。
熱力学の第 3 法則によれば、絶対温度がゼロのシステムのエントロピーは定義済みの安定した定数です。これは、ゼロ温度のシステムのほとんどが基底状態で存在し、エントロピーが基底状態の縮退によって知られているためでもあります.
宇宙のエントロピーと熱死
一部の科学者によると、宇宙のエントロピーは、ある日、ランダム性と不均衡が生産的な仕事を行うことができないシステムを形成するような点まで増加します.熱エネルギーだけが残る場合、宇宙は熱死によって死んだと見なされます。しかし、熱死説に同意しない科学者もいます。宇宙システムはエントロピーから遠ざかっていると言う人もいます.他の人によると、宇宙はより広範なシステムの一部です.
エントロピーと熱力学の例
氷塊は溶けるとエントロピーが増加します。また、システムの乱れが増えていることも容易にわかります。氷は、結晶格子で接続された水分子でできています。氷が溶けると、分子はより多くのエネルギーを得て、さらに離れて広がり、状態を失い、液体になります。同様に、水から蒸気へのように、液体から気体への相変化は、システムがより多くのエネルギーを得ることにつながります。システムのエネルギーは、蒸気が相を変えて水を形成するとき、または水が氷に変化するときにも減少する可能性があります。物質は内包系に属していないため、熱力学的第 2 法則は影響を受けません。システムのエントロピーは減少する可能性がありますが、環境のエントロピーは増加します。
エントロピーと時間との関係
エントロピーはしばしば「時間の矢」と呼ばれます。これは、孤立したシステム内の物質が秩序から無秩序へと移動するためです。
エントロピーとは、簡単に言えば、システムの「無秩序状態」です。これは熱力学の第 2 法則と第 3 法則を構成しており、それぞれ環境とシステムに応じたエントロピーの普遍的な変化と実質的なエントロピーに関するものです。
マイクロステート
辞書によると、「マクロ」は大きい、「ミクロ」は小さいという意味ですが、マクロ状態とミクロ状態は、熱力学における化学系の巨大なサイズと小さいサイズを定義しません。あるいは、2 つの非常に異なる方法でシステムを表示します。ミクロ状態は、特定のマクロ状態に関連する分子の運動エネルギーにアクセスできる多数のさまざまな配置の 1 つを含みます。
統計のエントロピー
エントロピーは、システムの無秩序状態と呼ばれる状態関数を作成します。定性的に言えば、エントロピーは、プロセス内で膨張する可能性のある原子および分子エネルギーの単純な尺度であり、システム内の統計の確率または熱力学の他の量の観点から定義できます。
質量、エネルギー、自由度に関する統計のエントロピー
宇宙の一部のエネルギーまたは物質は、他の部分で宇宙の一部の同時獲得または喪失が発生した場合にのみ、多かれ少なかれ変化する可能性があります。その特定の部分における宇宙の自由は増加する可能性がありますが、宇宙の自由の残りの部分には違いはありません。残りの宇宙の自由度は減少する可能性がありますが、最終的には得と失の合計が正味の増加になるはずです。
結論
エントロピーと熱力学は、物理学と化学において著名で重要な概念であり、宇宙論や経済学などの他の分野にも適用できます。物理学では熱力学の一部を構成し、化学では物理化学の中心的な概念です。簡単に言えば、システムの無秩序とランダム性の尺度です。これは、現在の物質の量に応じてその値が変化することを意味する熱力学系の特性です。エントロピーの値は、システムの質量に依存します。これは文字 S で表され、ジュール/ケルビンの単位で構成されます。エントロピーは、正または負の値を持つことができます。熱力学の第 2 法則によると、システムのエントロピーは、別のシステムのエントロピーが増加した場合にのみ減少します。高度に秩序化されたシステムはエントロピーが低くなります。
