เอนโทรปีคืออะไร? - เจฟฟ์ ฟิลลิปส์: บทเรียนภาษาอังกฤษ

There's a concept that's crucial to chemistry and physics. วลี

มีแนวคิดหนึ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิชาเคมีและฟิสิกส์

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

มันช่วยอธิบายว่าทำไมกระบวนการทางกายภาพถึงดำเนินไปในทิศทางเดียวและไม่ย้อนกลับ

Why ice melts,

ทำไมน้ำแข็งถึงละลาย

why cream spreads in coffee,

ทำไมครีมถึงกระจายตัวในกาแฟ

why air leaks out of a punctured tire.

ทำไมอากาศถึงรั่วออกจากยางที่ถูกเจาะ

It's entropy,

นั่นคือ เอนโทรปี

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

และเป็นที่รู้กันดีว่ามันทำความเข้าใจได้ยากมาก

Entropy is often described as a measurement of disorder. ลำดับความ

เอนโทรปีมักถูกอธิบายว่าเป็นมาตรวัดความไม่เป็นระเบียบ

That's a convenient image,

นั่นเป็นภาพที่เข้าใจง่ายดี

but it's unfortunately misleading.

แต่น่าเสียดายที่มันอาจทำให้เข้าใจผิดได้

For example,

ตัวอย่างเช่น

which is more disordered?

อันไหนมีความไม่เป็นระเบียบมากกว่ากัน?

A cup of crushed ice

น้ำแข็งบดหนึ่งถ้วย

or a glass of room temperature water?

หรือน้ำอุณหภูมิห้องหนึ่งแก้ว?

Most people would say the ice,

คนส่วนใหญ่อาจจะตอบว่าน้ำแข็ง

but that actually has lower entropy.

แต่ในความเป็นจริงนั้นมันมีเอนโทรปีต่ำกว่า

So here's another way of thinking about it, ลำดับความ

ดังนั้นนี่คืออีกวิธีหนึ่งในการคิดถึงมัน

through probability.

ผ่านความน่าจะเป็น

This may be trickier to understand,

นี่อาจจะเข้าใจยากขึ้นสักหน่อย

but take the time to internalize it, วลี

แต่ใช้เวลาซึมซับมันสักนิด

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

แล้วคุณจะเข้าใจเอนโทรปีได้ดีขึ้นมาก

Consider two small solids,

ลองนึกถึงของแข็งขนาดเล็กสองชิ้น

which are comprised of six atomic bonds each. การใช้คำ

ซึ่งแต่ละชิ้นประกอบด้วยพันธะอะตอม 6 พันธะ

In this model,

ในแบบจำลองนี้

the energy in each solid is stored in the bonds.

พลังงานในของแข็งแต่ละชิ้นจะถูกเก็บไว้ในพันธะ

Those can be thought of as simple containers, วลี

ซึ่งสามารถมองเป็นภาชนะบรรจุธรรมดาๆ

which can hold indivisible units of energy,

ที่สามารถกักเก็บหน่วยย่อยของพลังงานที่แบ่งแยกไม่ได้

known as quanta. วัฒนธรรม

หรือที่เรียกว่า ควอนตา

The more energy a solid has,

ยิ่งของแข็งมีพลังงานมากเท่าไหร่

the hotter it is.

มันก็ยิ่งร้อนมากขึ้นเท่านั้น

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

ปรากฏว่ามีหลากหลายวิธีที่พลังงานสามารถกระจายไปในของแข็งทั้งสอง

and still have the same total energy in each.

โดยที่ยังคงมีพลังงานรวมในแต่ละชิ้นเท่าเดิม

Each of these options is called a microstate. วัฒนธรรม

ทางเลือกแต่ละรูปแบบนี้เรียกว่า สถานะจุลภาค (microstate)

For six quanta of energy in solid A

สำหรับ 6 ควอนตาของพลังงานในของแข็ง A

and two in solid B,

และ 2 ควอนตาในของแข็ง B

there are 9,702 microstates.

จะมีสถานะจุลภาคถึง 9,702 รูปแบบ

Of course,

แน่นอนว่า

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

ยังมีวิธีอื่นๆ ในการจัดเรียงควอนตาพลังงานทั้ง 8 ของเรา

For example,

ตัวอย่างเช่น

all of the energy could be in solid A

พลังงานทั้งหมดอาจจะอยู่ในของแข็ง A

and none in B,

และไม่มีเลยใน B

or half in A and half in B.

หรือครึ่งหนึ่งใน A และอีกครึ่งหนึ่งใน B

If we assume that each microstate is equally likely, ไวยากรณ์

หากเราสมมติว่าแต่ละสถานะจุลภาคมีโอกาสเกิดขึ้นเท่ากัน

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

เราจะเห็นว่ารูปแบบพลังงานบางรูปแบบมีความน่าจะเป็นที่จะเกิดขึ้นสูงกว่ารูปแบบอื่น

That's due to their greater number of microstates. วลี

นั่นเป็นเพราะว่ามันมีจำนวนสถานะจุลภาคมากกว่านั่นเอง

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

เอนโทรปีคือมาตรวัดโดยตรงของความน่าจะเป็นของแต่ละรูปแบบพลังงาน

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

สิ่งที่เราเห็นคือรูปแบบพลังงานที่พลังงานกระจายตัวมากที่สุดระหว่างของแข็งทั้งสอง

has the highest entropy.

จะมีเอนโทรปีสูงที่สุด

So in a general sense, ลำดับความ

ดังนั้นในความหมายกว้างๆ

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

เอนโทรปีสามารถมองได้ว่าเป็นมาตรวัดการกระจายตัวของพลังงานนี้

Low entropy means the energy is concentrated.

เอนโทรปีต่ำหมายความว่าพลังงานนั้นกระจุกตัว

High entropy means it's spread out.

เอนโทรปีสูงหมายความว่ามันกระจายตัวออกไป

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes โน้ต

เพื่อให้เห็นว่าทำไมเอนโทรปีจึงมีประโยชน์ในการอธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง

like hot objects cooling down,

เช่น วัตถุที่ร้อนเย็นตัวลง

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

เราจำเป็นต้องดูที่ระบบพลวัตที่พลังงานมีการเคลื่อนที่

In reality,

ในความเป็นจริงแล้ว

energy doesn't stay put. สำนวน

พลังงานไม่ได้อยู่กับที่

It continuously moves between neighboring bonds.

มันเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องระหว่างพันธะที่อยู่ติดกัน

As the energy moves,

เมื่อพลังงานเคลื่อนที่

the energy configuration can change.

รูปแบบพลังงานก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้

Because of the distribution of microstates,

เนื่องจากการกระจายตัวของสถานะจุลภาค

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

มีโอกาส 21% ที่ในภายหลังระบบจะอยู่ในรูปแบบ

in which the energy is maximally spread out. วลี

ที่พลังงานกระจายตัวออกไปมากที่สุด

There's a 13% chance that it'll return to its starting point วลี

มีโอกาส 13% ที่มันจะกลับไปที่จุดเริ่มต้น

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

และมีโอกาส 8% ที่ A จะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นจริงๆ

Again,

ขอย้ำอีกครั้ง

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

เราจะเห็นว่าเนื่องจากมีวิธีที่พลังงานจะกระจายตัวและมีเอนโทรปีสูง

than concentrated energy,

มากกว่าวิธีที่พลังงานจะกระจุกตัว

the energy tends to spread out.

พลังงานจึงมักจะกระจายตัวออกไป

That's why if you put a hot object

นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมถ้าคุณวางวัตถุที่ร้อน

next to a cold one,

ไว้ข้างๆ วัตถุที่เย็น

the cold one will warm up

วัตถุที่เย็นจะอุ่นขึ้น

and the hot one will cool down.

และวัตถุที่ร้อนจะเย็นลง

But even in that example, ไวยากรณ์

แต่แม้แต่ในตัวอย่างนั้น

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

ก็ยังมีโอกาส 8% ที่วัตถุที่ร้อนจะร้อนขึ้นไปอีก

Why doesn't this ever happen in real life?

ทำไมสิ่งนี้ถึงไม่เคยเกิดขึ้นเลยในชีวิตจริง?

It's all about the size of the system. วลี

ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับขนาดของระบบ

Our hypothetical solids only had six bonds each.

ของแข็งสมมติของเรามีเพียงแค่ 6 พันธะต่อชิ้นเท่านั้น

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

ลองขยายขนาดของแข็งขึ้นเป็น 6,000 พันธะ

and 8,000 units of energy.

และพลังงาน 8,000 หน่วย

And again,

และอีกครั้ง

start the system with three quarters of the energy in A

เริ่มระบบโดยให้สามในสี่ของพลังงานอยู่ใน A

and one quarter in B.

และหนึ่งในสี่อยู่ใน B

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

ตอนนี้เราพบว่าโอกาสที่ A จะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นเอง

is this tiny number.

เป็นตัวเลขที่น้อยนิดเพียงเท่านี้

Familiar everyday objects have many, ไวยากรณ์

วัตถุทั่วไปในชีวิตประจำวันมีอนุภาค

many times more particles than this.

มากกว่านี้หลายเท่าตัวนัก

The chance of a hot object in the real world

โอกาสที่วัตถุที่ร้อนในโลกแห่งความเป็นจริง

getting hotter is so absurdly small, ไวยากรณ์

จะร้อนขึ้นไปอีกนั้นช่างเป็นไปได้ยากจนน่าขัน

it just never happens.

มันจึงไม่เคยเกิดขึ้นเลย

Ice melts, ลำดับความ

น้ำแข็งละลาย

cream mixes in,

ครีมผสมเข้ากัน

and tires deflate

และยางแบน

because these states have more dispersed energy than the originals.

เพราะสถานะเหล่านี้มีพลังงานที่กระจายตัวมากกว่าตอนเริ่มต้น

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

ไม่มีพลังลึกลับใดๆ ที่คอยผลักดันระบบไปสู่เอนโทรปีที่สูงขึ้น

It's just that higher entropy น้ำเสียง/เจตนา

เป็นเพียงแค่ว่าเอนโทรปีที่สูงกว่า

is always statistically more likely.

มีโอกาสเป็นไปได้มากกว่าเสมอในทางสถิติ

That's why entropy has been called time's arrow. สำนวน

นั่นคือเหตุผลที่เอนโทรปีถูกเรียกว่า ลูกศรแห่งเวลา

If energy has the opportunity to spread out, ไวยากรณ์

หากพลังงานมีโอกาสที่จะกระจายตัว

it will.

มันก็จะกระจายตัว