Entropia

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan suljetun järjestelmän entropia kasvaa tai pysyy entisellään. Voidaan sanoa, että entropian käyttäytyminen ilmoittaa ajan kulkusuunnan.[1]

Entropia eli haje[2] on fysikaalinen suure, joka ilmaisee epäjärjestyksen määrän systeemissä.[1][3] Entropian käsitettä käytetään termodynamiikassa ja tilastollisessa mekaniikassa. Informaatioteoriassa entropialla mitataan viestin sisältämän informaation määrää. Entropian käsitteen otti fysiikassa ensimmäisenä käyttöön Rudolf Clausius.[1]

Entropia termodynamiikassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Termodynamiikan toinen pääsääntö voidaan ilmaista entropian avulla siten, että eristetyn systeemin entropia voi kasvaa mutta ei koskaan vähetä[4].

Entropia, lämpömäärä ja lämpötila[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Termodynamiikassa entropian muutos määritellään kaavalla

dS = \frac{\delta Q}{T} \!

missä Q on suljettuun systeemiin tuleva lämpömäärä (tai systeemistä lähtevä lämpömäärä, jolloin Q on negatiivinen) ja T systeemin lämpötila kelvineinä. Systeemin tilavuuden oletetaan olevan vakio. Jos lämpötilan muutos on pieni, entropian muutos on käytännössä yhtä suuri kuin luovutettu tai vastaanotettu lämpö­määrä jaettuna tällä kelvin-lämpö­tilalla. On huomattava, että kaava ei kerro systeemin entropiaa, ainoastaan sen muutoksen. [5] Kaikissa irreversiibeleissä eli palautumattomissa prosesseissa entropia kasvaa[6]

Esimerkki irreversiibelistä prosessista on kahden eri lämpötilassa olevan aineen sekoittaminen, jolloin aineiden välinen lämpötilaero tasoittuu. Tällöin ennestään lämpimämmän aineen entropia tosin pienenee sen viiletessä, mutta kylmemmän aineen entropia kasvaa vielä enemmän sen lämmetessä (koska kaavassa oleva jakaja eli lämpö­tila on pienempi), joten systeemin kokonaisentropia kasvaa.[7]

Tarkkaan ottaen termodynamiikan toinen pääsääntö on vain todennäköisyyslaki. Samankin lämpötilan vallitessa aineessa on aina sekaisin nopeasti ja hitaasti liikkuvia molekyylejä. Jos jossakin suljetussa astiassa kaikki nopeat kaasumolekyylit kerääntyisivät astian toiseen ja hitaat toiseen reunaan, edellisessä lämpötila nousisi ja jälkimmäisessä alenisi. Samalla systeemin entropia pienenisi. On kuitenkin äärimmäisen epätodennäköistä että näin tapahtuisi, eikä sen kaltaista ilmiötä ole milloinkaan havaittu, ja näin ollen lakia voidaan pitää käytännöllisesti yleispätevänä[8].

Entropia informaatioteoriassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Informaatio- eli viestintäteoriassa entropia on suure, joka mittaa viestin (esimerkiksi sarja binäärimuotoisia bittejä) sisältämän informaation määrää.[9]

Entropia arkielämässä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Arkinen vertauskuva entropiasta on huoneen epäjärjestyksen kasvaminen, mikäli ei tee työtä sen siistinä pitämiseksi. Vaikka tässä vertauskuvassa onkin enemmän kyse huolimattomuudesta kuin entropiasta, kuvastaa se silti asioiden pyrkimystä kohti suurempaa epäjärjestystä.[10]

Entropia ja maailmankaikkeus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikkeutta voidaan pitää eristettynä systeeminä. Siksi sen kokonaisentropia on käytännössä jatkuvassa kasvussa. Nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeus laajenee jopa kiihtyvällä tahdilla: se merkitsee, että vähitellen aine ja lämpöenergia hajaantuvat yhä tasaisemmin avaruuteen. Näin kaikkeus kulkee kohti suurinta mahdollista entropiaa. Lopulta päädytään lämpökuolemaksi kutsuttuun tasa­paino­tilaan, jossa ei voi enää tapahtua muutosta. Kaikkeuden lopullinen kohtalo on kuitenkin yhä epävarma, ja kosmologian kehittyessä uusia kehitysnäkymiä saattaa tulla ilmi.[11]

Entropia ja maapallo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maapalloa voidaan pitää suljettuna systeeminä, koska se ei kovin suuressa määrin vastaan­ota ainetta avaruudesta eikä luovuta sitä; tällöin jätetään huomiotta meteoriittien maapallolle tuoma (suhteellisesti ottaen vähäinen) ainemäärä.[12] Maapallo ei kuitenkaan ole eristetty systeemi, sillä sinne virtaa jatkuvasti Auringon säteilyenergiaa ja samalla maapallo säteilee energiaa avaruuteen lämpösäteilynä.[13]

Energia- ja massavirtojen myötä voi eristämättömän systeemin entropia kasvaa tai vähentyä.[14][15][16] Niinpä maapallollakin materia- ja energiavirrat voivat paikallisesti saada aikaan entropian vähenemistä, esi­merkiksi lämpö­tila­eroja Maan eri alueiden välille, mutta silti entropia kasvaa laajemmassa systeemissä, jonka muodostavat Aurinko, Maa ja ympäröivä avaruus. Entropiaa virtaa pois Maasta noin 0,9 W/K pinnan neliömetriä kohti.[17]

Elävät olennot eivät ole eristettyjä eivätkä edes suljettuja systeemejä[18].

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Baeyer, Hans Christian von: Maxwellin demoni: Miksi lämpö hajaantuu ja aika virtaa eteenpäin. (Maxwell’s demon: Why warmth disperses and time passes, 1993.) Suomentanut Hannu Karttunen. Helsinki: Art house, 2000. ISBN 951-884-321-X.
  • Baeyer, Hans Christian von: Informaatio: Tieteen uusi kieli. (Information: The new language of science, 2003.) Suomentanut Timo Paukku. Helsinki: Terra cognita, 2005. ISBN 952-5202-86-0.
  • Lampinen, Markku J.: Termodynamiikan perusteet. 5. korjattu painos. Helsinki: Otatieto, 2010. ISBN 978-951-672-368-9.
  • Schroeder, Daniel V.: An introduction to thermal physics. San Francisco, California: Addison Wesley Longman, 2000. ISBN 0-321-27779-1. (englanniksi)
  • Spectrum tietokeskus: 16-osainen tietosanakirja. 3, Eng–Hiu, s. 27–29. hakusana entropia. Porvoo Helsinki Juva: WSOY, 1976. ISBN 951-0-07242-7.
  • Young, Hugh D. & Freedman, Roger A.: University physics. 9. ed, extended version with modern physics. Contributing authors: T. R. Sandin, A. Lewis Ford. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1996. ISBN 0-201-84769-8. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Spectrum 1976.
  2. Niiniluoto, Ilkka: Informaatio, tieto ja yhteiskunta: Filosofinen käsiteanalyysi. 5. täydennetty painos (1. painos: Valtion painatuskeskus, 1989). Helsinki: Edita, 1996. ISBN 951-37-1997-9.
  3. Hakusana entropia teoksessa Suomalainen tietosanakirja 2, dio–hik. Espoo: Weilin + Göös, 1989. ISBN 951-35-4646-2.
  4. Young & Freedman, s. 586.
  5. Schroeder 2000, s. 93-96.
  6. Young & Freedman 1996, s. 578.
  7. Young & Freedman 1996, s. 579.
  8. Baeyer 2000, s. 140–145.
  9. Spectrum 1976, s. 27.
  10. Baeyer 2000, s. 115–116.
  11. Baeyer 2000, s. 122–127
  12. Sussman, Art: Dr. Art's Guide to Planet Earth Planetguide.net. Viitattu 29.7.2010. (englanniksi)
  13. Haynie, Donald T.: Biological thermodynamics, s. 11–12. 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2008. ISBN 978-0-521-88446-4. (englanniksi)
  14. LearnThermo.com (Entropy Balance Equation for Open Systems) Viitattu 19.7.2010. (englanniksi)
  15. Haase, Rolf: Thermodynamics of irreversible processes, s. 83. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1969. (englanniksi)
  16. Prigogine, I.: Introduction to thermodynamics of irreversible processes, s. 85–87. 3rd edition. New York: Interscience Publishers, 1967. (englanniksi)
  17. Kleidon, Axel & Lorenz, Ralph (editors): ”Entropy production by Earth system processes”, Non-equilibrium thermodynamics and the production of entropy: Life, Earth, and beyond, s. 4. Understanding Complex Systems. Berlin: Springer, 2004. ISBN 978-3-540-22495-2. (englanniksi)
  18. Groot, S. R. de: Thermodynamics of irreversible processes, s. 206. Amsterdam: North-Holland Publishing, 1951. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]