Létezik egy fogalom, amely létfontosságú a kémiában és a fizikában.
Megmagyarázza, miért az egyik, s nem a másik irányban zajlanak a folyamatok:
miért olvad meg a jég,
miért oszlik el a tejszín a kávéban,
miért megy ki a levegő a defektes kerékből.
Ez az entrópia, amely hírhedten nehezen fér a fejünkbe.
Az entrópiát gyakran a rendezetlenség mértékeként jellemzik.
Kényelmes elképzelés, de sajnos, félrevezető.
Pl. melyikük rendezetlenebb:
egy csésze jégkása vagy egy pohár szobahőmérsékletű víz?
Legtöbben a jégre szavaznának,
de az entrópiája a jégnek kisebb.
De másként is megközelíthetjük a kérdést: a valószínűségen keresztül.
Lehet, hogy ezt fogósabb megértenünk, de szánjuk rá az időt!
Így sokkal jobban megértjük az entrópiát.
Tekintsünk két piciny szilárd testet,
amelynek mindegyike hat atomi kötést tartalmaz.
E modellben a testek energiáját a kötések tárolják.
Fölfoghatjuk őket egyszerű tartályokként,
amelyek oszthatatlan energiaegységeket, ún. kvantumokat tartalmaznak.
Minél több energia van egy szilárd testben, annál forróbb.
Kiderült, hogy az energia megoszlása sokféle lehet
a két szilárd test között,
miközben a teljes energia mennyisége állandó.
Az egyes lehetőségeket mikroállapotnak nevezzük.
Ha az A szilárd testben hat, a B-ben két energiakvantum van,
9 702 mikroállapot létezik.
Persze, a nyolc energiakvantumunk másként is elrendezhető.
Pl., minden energia az A testben összpontosul, a B-ben semmi sincs.
vagy fele az A-ban, fele a B-ben.
Ha föltételezzük, hogy minden egyes mikroállapot egyformán valószínű,
azt látjuk, hogy egyes energiaszerkezetek
előfordulása valószínűbb, mint másoké.
Ennek oka, hogy több mikroállapotuk van.
Az entrópia minden egyes energiaszerkezet előfordulási valószínűségének mértéke.
Látható, hogy az az energiaszerkezet,
amelyben az energia a legjobban eloszlik a szilárd testek között,
a legnagyobb entrópiájú.
Általános értelemben az entrópia
az energiaeloszlás mértékeként fogható föl.
Az alacsony entrópia koncentrált energiát jelent.
A magas entrópia azt jelenti, hogy az energia szét van terjedve.
Hogy értsük, miért hasznos az entrópia a spontán folyamatok magyarázatára,
pl. ilyen a forró tárgyak lehűlése,
meg kell vizsgálnunk a dinamikus rendszert, amelyben az energia mozog,
mivel a valóságban az energia nincs nyugalomban,
állandóan mozog a szomszédos kötések között.
Az energia mozgása miatt
az energiaszerkezet változhat.
A mikroállapotok eloszlása miatt
21% az esélye, hogy a rendszer később olyan szerkezetű lesz,
amelyben az energia teljesen szétszóródik,
13% az esélye, hogy visszatér a kiindulópontba,
és 8% az esélye, hogy az A energiát vesz föl.
Minthogy több módja van, hogy szétszóródott energiánk
és magas entrópiánk legyen, semmint koncentrált energiánk,
az energia hajlamos a szétszóródásra.
Ezért van, hogy ha egy forró s egy hideg tárgyat egymás mellé teszünk,
a hideg fölmelegszik, a forró pedig lehűl.
De még e példában is 8% esélye van,
hogy a forró tárgy még forróbb lesz.
Miért nem történik ez meg a valóságban?
A magyarázat a rendszer nagyságában rejlik.
Hipotetikus szilárd testünknek csak hat kötése volt.
Növeljük a kötések számát 6 000-re és az energiaegységeket 8 000-re,
és legyen kezdetben az energia 3/4-e az A-ban,
és 1/4-e a B-ben!
Most az esély, hogy az A spontán energiát vesz föl,
egy ilyen pici szám.
Megszokott tárgyainkban sokkal-sokkal több részecske van.
Az esélye, hogy egy forró tárgy a valóságban még forróbb legyen,
olyan elképzelhetetlenül kicsi,
hogy sohasem történik meg.
A jég megolvad,
a tejszín elkeveredik,
és az autógumi leereszt,
mert az utóbbi állapotokban nagyobb a szétszórt energia mennyisége.
Nincs rejtélyes erő, amely a rendszert a magasabb entrópia felé taszigálná.
Csak arról van szó, hogy a magasabb entrópia statisztikailag valószínűbb.
Ezért hívjuk az entrópiát időnyílnak.
Ha az energiának lehetősége van szóródni, meg is teszi.