エントロピーとは何か？ - ジェフ・フィリップス：英語学習ノート

There's a concept that's crucial to chemistry and physics. フレーズ

化学と物理学において極めて重要な概念があります。

It helps explain why physical processes go one way and not the other. 解説

それは、物理的プロセスがなぜ一方向にしか進まないのかを説明するのに役立ちます。

Why ice melts,

なぜ氷は溶けるのか、

why cream spreads in coffee,

なぜクリームはコーヒーの中で広がるのか、

why air leaks out of a punctured tire.

なぜパンクしたタイヤから空気が漏れるのか。

It's entropy,

それはエントロピーです。

and it's notoriously difficult to wrap our heads around. 慣用句

そして、それは理解するのが非常に難しいことで有名です。

Entropy is often described as a measurement of disorder. 話の流れ

エントロピーはしばしば無秩序さの尺度として説明されます。

That's a convenient image,

それは便利なイメージですが、

but it's unfortunately misleading.

残念ながら誤解を招く恐れがあります。

For example,

例えば、

which is more disordered?

どちらがより無秩序でしょうか？

A cup of crushed ice

コップ一杯の砕いた氷と、

or a glass of room temperature water?

グラス一杯の常温の水。

Most people would say the ice,

ほとんどの人は氷と答えるでしょうが、

but that actually has lower entropy.

実は氷の方がエントロピーが低いのです。

So here's another way of thinking about it, 話の流れ

そこで、別の考え方をご紹介します。

through probability.

確率を通じた考え方です。

This may be trickier to understand,

これは理解するのがより難しいかもしれませんが、

but take the time to internalize it, フレーズ

時間をかけて理解を深めれば、

and you'll have a much better understanding of entropy. 文法

エントロピーについてずっとよく分かるようになります。

Consider two small solids,

2つの小さな固体を考えてみましょう。

which are comprised of six atomic bonds each. 語彙

それぞれ6つの原子結合から成ります。

In this model,

このモデルでは、

the energy in each solid is stored in the bonds.

各固体のエネルギーは結合に蓄えられます。

Those can be thought of as simple containers, フレーズ

これらは単純な容器と見なすことができ、

which can hold indivisible units of energy,

分割不可能なエネルギーの単位、

known as quanta. 文化背景

すなわち「量子」を保持できます。

The more energy a solid has,

固体のエネルギーが多いほど、

the hotter it is.

温度は高くなります。

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed in the two solids 解説

各固体の総エネルギーを一定に保ちながらも、

and still have the same total energy in each.

2つの固体間でエネルギーを分配する方法は無数にあることがわかっています。

Each of these options is called a microstate. 文化背景

これらの各選択肢は「微視的状態」と呼ばれます。

For six quanta of energy in solid A

固体Aに6つのエネルギー量子、

and two in solid B,

固体Bに2つのエネルギー量子がある場合、

there are 9,702 microstates.

9,702の微視的状態が存在します。

Of course,

もちろん、

there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

8つのエネルギー量子を配置する他の方法もあります。

For example,

例えば、

all of the energy could be in solid A

すべてのエネルギーが固体Aにあり、

and none in B,

Bには全くない状態や、

or half in A and half in B.

AとBで半分ずつにする状態です。

If we assume that each microstate is equally likely, 文法

すべての微視的状態が等しい確率で起こると仮定すると、

we can see that some of the energy configurations have a higher probability of occurring than others. フレーズ

特定のエネルギー配置が他の配置よりも起こりやすいことがわかります。

That's due to their greater number of microstates. フレーズ

それは、それらがより多くの微視的状態を持っているからです。

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

エントロピーは、各エネルギー配置の確率を直接的に示す尺度です。

What we see is that the energy configuration in which the energy is most spread out between the solids 文法

ここからわかるのは、固体間でエネルギーが最も分散している配置が、

has the highest entropy.

最高のエントロピーを持つということです。

So in a general sense, 話の流れ

つまり、一般的な意味で、

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

エントロピーはこのエネルギーの広がりの尺度と考えることができます。

Low entropy means the energy is concentrated.

低いエントロピーは、エネルギーが集中していることを意味します。

High entropy means it's spread out.

高いエントロピーは、それが分散していることを意味します。

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes 解説

自発的なプロセス、

like hot objects cooling down,

例えば熱い物体が冷めることなどを説明するのに、なぜエントロピーが有用なのかを知るためには、

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

エネルギーが移動する動的なシステムを見る必要があります。

In reality,

現実には、

energy doesn't stay put. 慣用句

エネルギーはとどまっていません。

It continuously moves between neighboring bonds.

それは隣接する結合の間を絶えず移動しています。

As the energy moves,

エネルギーが移動するにつれて、

the energy configuration can change.

エネルギー配置も変化します。

Because of the distribution of microstates,

微視的状態の分布により、

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration 文法

システムがその後特定の配置になる確率は21%あります。

in which the energy is maximally spread out. フレーズ

その配置とは、エネルギーが最大限に分散された状態です。

There's a 13% chance that it'll return to its starting point フレーズ

出発点に戻る確率は13%あり、

and an 8% chance that A will actually gain energy.

実際にAがエネルギーを得る確率は8%あります。

Again,

繰り返しますが、

we see that because there are more ways to have dispersed energy and high entropy 文法

分散したエネルギーと高いエントロピーを持つ方法の方が、

than concentrated energy,

集中したエネルギーを持つ方法よりも多いため、

the energy tends to spread out.

エネルギーは分散する傾向があることがわかります。

That's why if you put a hot object

だからこそ、熱い物体を

next to a cold one,

冷たい物体の隣に置くと、

the cold one will warm up

冷たい物体は温まり、

and the hot one will cool down.

熱い物体は冷えるのです。

But even in that example, 文法

しかし、その例でさえ、

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

熱い物体がさらに熱くなる確率が8%あります。

Why doesn't this ever happen in real life?

なぜこれが現実生活では決して起こらないのでしょうか？

It's all about the size of the system. フレーズ

それはすべてシステムの規模によるものです。

Our hypothetical solids only had six bonds each.

私たちの架空の固体はそれぞれ6つの結合しか持っていませんでした。

Let's scale the solids up to 6,000 bonds 句動詞

固体を6,000の結合と

and 8,000 units of energy.

8,000のエネルギー単位に拡大してみましょう。

And again,

そしてもう一度、

start the system with three quarters of the energy in A

Aに4分の3、

and one quarter in B.

Bに4分の1のエネルギーがある状態でシステムを開始します。

Now we find that the chance of A spontaneously acquiring more energy 語彙

すると、Aが自発的により多くのエネルギーを獲得する確率は、

is this tiny number.

このようなごくわずかな数字になることがわかります。

Familiar everyday objects have many, 文法

身近な日常の物体は、

many times more particles than this.

これよりも何倍も多くの粒子を持っています。

The chance of a hot object in the real world

現実世界で熱い物体が

getting hotter is so absurdly small, 文法

さらに熱くなる確率はあまりにもばかばかしいほど小さく、

it just never happens.

決して起こらないのです。

Ice melts, 話の流れ

氷が溶け、

cream mixes in,

クリームが混ざり、

and tires deflate

タイヤの空気が抜けるのは、

because these states have more dispersed energy than the originals.

これらの状態が元の状態よりも分散したエネルギーを持っているからです。

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy. 慣用句

システムを高いエントロピーへと押しやる神秘的な力はありません。

It's just that higher entropy 意図と語調

単に高いエントロピーの方が

is always statistically more likely.

統計的に常に起こりやすいというだけなのです。

That's why entropy has been called time's arrow. 慣用句

だからこそ、エントロピーは時間の矢と呼ばれています。

If energy has the opportunity to spread out, 文法

もしエネルギーに分散する機会があれば、

it will.

それは必ず分散するのです。