エントロピー：物事がどのように起こるのかを説明する概念

要約

この記事では、化学や物理学において基本的な概念であるエントロピーについて探求します。エントロピーはしばしば無秩序の測定と表現されますが、これは誤解を招く表現です。代わりに、エントロピーをエネルギー構成の確率の測定と説明します。また、エントロピーが物理的プロセスが特定の方法で起こる理由を説明する方法についても見ていきます。

エントロピーとは何か？

エントロピーは、物理的プロセスが特定の方法で起こる理由を説明するための概念です。エントロピーはエネルギー構成の確率の測定であり、無秩序の測定と表現されることがありますが、これは誤解を招く表現です。エントロピーは、システム内でエネルギーが同じままである場合に、エネルギーが分配される方法の数を測定するものと考えることができます。

確率の測定としてのエントロピー

エントロピーを理解するために、6つの原子結合からなる2つの小さな固体を見てみましょう。各固体のエネルギーは結合に保存され、各結合はエネルギーの不可分単位であるクオンタを保持できます。エネルギーは、2つの固体内で分配される方法は数多くあり、各オプションはマイクロステートと呼ばれます。エントロピーは、それぞれのエネルギー構成の確率を直接測定するものです。エネルギーが最も均等に分布しているエネルギー構成が最も高いエントロピーを持ちます。

動的システムとエントロピー

エネルギーが移動する動的システムでは、エネルギー構成は変化します。マイクロステートの分布のため、分散されたエネルギーや高いエントロピーを持つ方法が集中されたエネルギーよりも多くあります。そのため、熱い物体を冷たい物体の隣に置くと、冷たい物体は温まり、熱い物体は冷えます。ただし、熱い物体がより熱くなる可能性もあります。この可能性は小さなシステムでは非常に小さいですが、システムのサイズが増えるにつれて、そのようなイベントの可能性は無視できるほどになります。

なぜ高いエントロピーがより起こりやすいのか？

氷が溶け、クリームが混ざり、タイヤが空気が抜けるのは、これらの状態が元の状態よりも分散されたエネルギーを持っているためです。システムを高いエントロピーに向かわせる神秘的な力はありません。高いエントロピーが常に統計的により起こりやすいためです。そのため、エントロピーは時間の矢と呼ばれています。エネルギーが広がる機会がある場合は、必ず広がります。