Co to je entropie?
Mnozí z nás jsme se s tímto pojmem setkali ve fyzice v nauce o teple, kde má tato veličina své kořeny a dále v průběhu času, ve všech možných oblastech. Některým z nás není úplně jasné co vlastně entropie popisuje, protože se jedná o jednu z nejnáročnějších fyzikálních veličin z hlediska pochopení jejího obsahu. Navíc se jedná o velice zajímavou veličinu, obecnějšího charakteru, kterou lze popisovat i jiné zákonitosti přírody, vesmíru a lidského snažení.
ENTROPIE A TŘI ZÁKONY TERMODYNAMIKY
První zákon termodynamiky
je obecná formulace zákona zachování energie. V uzavřeném, izolovaném systému se celkový energetický obsah nemění, energie nevzniká ani nezaniká, pouze mění svou podobu. Fosilní paliva (transformované sluneční záření před 300 mil. let) spálíme a ohřejeme páru (tepelná energie), roztočíme parní turbínu (mechanická energie), turbínou poháníme
elektrický generátor a tím generujeme, nikoli "vyrábíme", elektrický proud (elektrická energie), doma si pak zapneme akumulačky (energie tepelná). Tím to ovšem nekončí, tepelná ztráta našeho obydlí a všechny ostatní tepelné ztráty, ke
kterým během všech operací s energií došlo, jsou nakonec opět vyzářeny naší planetou do vesmíru odkud k nám tato energie kdysi v podobě slunečního záření přišla. Tento zákon zachování nám však k hlubšímu pochopení věcí nepostačí.
Jak víme, teplo nepřechází ze studenějšího tělesa na teplejší, i když by to tomuto zákonu neodporovalo. Energie se během všech přeměn oslabuje, ztrácí svoji kvalitu a změny probíhají v čase směrem k rovnovážnému stavu, což přináší nárůst entropie.
Druhý zákon termodynamiky
definoval v roce 1851 matematik irsko-skotského původu William Thomson (1824-1907). Podle tohoto zákona se mechanická práce přeměňuje na teplo, přičemž v opačném smyslu to neplatí. Pokaždé, když něco děláme, se část energie, kterou vynakládáme, ztrácí ve formě tepla. Druhý zákon termodynamiky, zákon o vzrůstu entropie, popisuje tuto veličinu jako
extenzivní složku tepla, značí se S.
dS = dQ/T [J/K]
Pojem entropie zavedl v roce 1865 německý fyzik Rudolf Clausius (1822-1888): "Die Energie der Welt ist konstant, die Entropie strebt einem Maximum zu" (Energie světa, uzavřeného systému se nemění, je konstantní, entropie směřuje k maximální hodnotě). Entropie je slovo pocházející z řeckého slova pro změnu formy, umožňuje sledovat míru nevratnosti děje. Entropie může při samovolných změnách izolovaných systémů pouze zůstat beze změn, nebo růst. Entropie popisuje degradaci tepla, ke které dochází u nevratných změn. Teplo nelze zcela převádět v práci, obráceně ano.
Entropie je stavovou veličinou, změna entropie závisí pouze na počátečním a konečném stavu. Při všech přeměnách energie dochází ke ztrátám a k postupné degeneraci energie a nárůstu entropie. Degeneraci lze chápat jako ubývání schopnosti konat práci. Na základě těchto ztrát, při přeměně vázané energie v použitelnou a pak rozptýlenou a již nepoužitelnou energii, se uvolňuje teplo a další emise, které řád v ekosféře mění na chaos a v konečném důsledku
v tepelnou smrt.
Při teplotě absolutní nuly T = 0 K (-273,15 °C) nabývá entropie pro všechny termodynamické systémy téže hodnoty, kterou je možno položit rovnu nule, žádné volné elektrony, žádný pohyb a žádný chaos (Třetí zákon termodynamiky). Absolutní nulová teplota je mezní teplotou, k níž se můžeme velmi těsně přiblížit, ale nemůžeme ji dosáhnout.
CO TO JE ENTROPIE?
Někdo může mít pocit, že zmíněná otázka ještě nebyla zodpovězena. Z předchozího odstavce je zřejmé, že entropie je užitečná veličina, která slouží jako nástroj pro chápání druhého zákona termodynamiky a výpočty s tím spojené. Podobně jako otázka: "Co to je energie?", která nám může dělat podobné problémy, dojdeme k závěru, že chápání těchto pojmů je spojeno především s jejich využíváním. Na entropii lze pohlížet jako na molekulární neuspořádanost. Entropie látky je větší pokud roztaje a ještě větší pokud se odpaří. Pevná látka se mnohem přesněji definuje, její tvar a vlastnosti než látka v kapalném stavu.
Plyn je na tom ještě hůře a jeho entropie je vyšší v porovnání s toutéž látkou v kapalném nebo pevném skupenství. Molekuly plynu jsou mnohem více dezorganizované a mnohem méně schopné konat užitečnou práci. Množství energie je
během jednotlivých procesů zachováno (První zákon termodynamiky), ale kvalita energie se během procesů snižuje (Druhý zákon termodynamiky), narůstá entropie.
Pokud přijdou do styku dvě tělesa, jedno teplé a druhé studené, předají si teplo. Původní teplé zaznamená úbytek entropie a původní studené zaznamená nárůst entropie. Celková entropie obou těles však naroste, protože dojde k degradaci energie, klesne teplota. Z toho plyne, že vše ve vesmíru směřuje k nárůstu entropie, která v komplexním pojetí pouze narůstá společně s chaosem a dezorganizací. To je problematika, která se netýká pouze techniků, ale také filozofů apod.
 Pracovní stůl s nízkou entropií |
Entropie je tedy mimo jiné definována jako míra neuspořádanosti systému a je možné na ni pohlížet a měřit ji jako chaos, dezorganizaci systému. Pojem entropie se v běžném životě nevyužívá v takové míře jako když se bavíme o energii a její přeměně, přesto by se náramně hodila k popisu určitého chování a snažení. Využití tohoto pojmu v netechnických oblastech není ničím novým a bylo na toto téma napsáno několik článků a dokonce knih. Ukažme si tedy několik příkladů ze života, kde entropii a její nárůst lze snadněji pochopit, a také využít pro popis děje.
Lidé efektivně využívající svůj čas, neznající chaos, oplývají nízkou entropií a vysokou organizovaností. Mají pro každou věc své místo a stojí je minimum energie cokoli najít. Zmatkaři věčně něco hledající a chodící všude pozdě žijí vysoce entropický a namáhavý život plný stresu a únavy. Trvá jim několik minut, někdy i hodin, než najdou ve své kanceláři potřebný dokument a při defektu na dálnici většinou nemají rezervu nebo hever. Lidé s vysokou entropií jsou vždy ve spěchu a vše dělají na poslední chvíli.
Ve škole jsme vedle sebe pozorovali spolužáky, kteří si vše okamžitě zapamatovali, vše rychle chápali a studium je vůbec nezatěžovalo. Tiše jsme jim záviděli a obdivovali je. Jejich sešity byly uspořádané a smysluplné. Informace vstřebávali systematicky, s návazností a logikou. Druhá skupina studentů psala vše do jednoho sešitu, matematiku červeně a fyziku zeleně, občas nějaká přednáška chyběla. O čem je vlastně ta kybernetika, tato skupina zjišťovala až týden před zkouškou. Entropie je veličina, jejíž hodnotou se tyto odlišné přístupy liší.
Knihovna, ve které jsou knihy pěkně uspořádané v jednotlivých regálech podle autorů a typu literatury, je nízko-entropická knihovna. V knihovně bez systému, kde nemohu najít žádanou publikaci, strávím spoustu času a ohrožuji tím navíc svou nervovou soustavu. Takovou knihovnu lze klasifikovat jako vysoce-entropickou.
Představme si dvě budovy, knihovny z vnějšku naprosto identické, obě skrývají stejné milióny knih. V první jsou knihy jedna přes druhou, bez uspořádání a indexování. Druhá knihovna má vše zorganizované, knihy uspořádané a indexované. Kam zamíříte? Pochopitelně do té druhé. Někdo může argumentovat s naprostou identičností obou knihoven, z hlediska prvního zákona. Není ovšem potřeba vysvětlovat proč se nehodláte přehrabovat v miliónech knih celou věčnost. Tento příklad ilustruje, že všechna realistická porovnání je potřeba posuzovat i z hlediska druhého zákona, zákona entropie.
 Pracovní stůl s vysokou entropií |
Zrovna tak, jako se dvě stejná auta liší v případě, že jedním ujedete jednou tolik kilometrů než druhým, se stejným množstvím paliva, nejsou dvě identické učebnice tak úplně identické, pokud vám trvá jednou takovou dobu nastudovat téma z jedné učebnice oproti té druhé. Podle prvního zákona se zdají být rovnocenné a teprve druhý zákon entropický nachází rozdíl. Řídit se pouze prvním zákonem nestačí a může to být velice chybné.
Mít dezorganizovanou, vysoce entropickou armádu znamená nemít armádu žádnou. Snaha mít jednotné velení je nezbytným prostředkem k vedení válek. Jedna armáda složená z deseti divizí je desetkrát silnější než deset armád po jedné divizi. Evropská unie bude jako jeden stát silnější než dvacet samostatných států. Podobně USA by jako 50 samostatných zemí nevytvářelo tak silné hospodářství. Staré klišé "rozděl a podrob si", lze přepsat na "navyš nepřítelovu entropii a porazíš jej snadněji".
Víme, že mechanické tření je vždy doprovázeno produkcí entropie a snížením výkonu. Můžeme to zevšeobecnit na denní život. Když to v osobním životě nebo v práci "skřípe", neboli jde ztuha, přináší to nárůst entropie a nevěstí to pochopitelně nic dobrého. Špatné vztahy na pracovišti snižují produktivitu a zvyšují entropii. Doufejme, že budeme jednou schopni objevit procedury ke kvantifikaci entropie generované při netechnických procesech a možná i označit její primární zdroje a hodnotu.
Také víme o volné expanzi (nebo explozi) a nekontrolovatelných chemických reakcích, generujících entropii, které jsou vysoce nevratné. Podobně jako bezuzdné otevření úst a vyslovení určitého, afektem podpořeného, výroku doprovázeného nárůstem entropie a nenapravitelnou škodou na mezilidských vztazích. Pošlete-li jednou svého šéfa kamsi, těžko se to dá vrátit se slovy já to tak nemyslel, entropie naroste až do výše vaší výpovědi.
Závěr
Entropie a její nárůst v přírodě, v uzavřeném systému našeho životního prostředí charakterizuje naši cestu k zániku a sebedestrukci. Z energetického pohledu je využívání neobnovitelných energetických zdrojů, jaderné energie a prostředků, které převyšují přirozenost přírody zatěžující naše životní prostředí. Toto zatížení neustále narůstá společně s entropií a chaosem v podobě hurikánů, nadměrného tepla, sucha nebo dešťů. Příroda sama o sobě nezná chaos, má svůj pevný řád a jen my jej společně s nárůstem entropie vytváříme, protože využíváme fyzikálních zákonitostí do krajních mezí, které nejsou k životu zapotřebí.
Například teplo domova (20°C) vytváříme ve vzdálených elektrárnách pomocí páry o teplotě několika set °C, těžíme uhlí (zdevastujeme krajinu a nastavujeme životy v dolech), uhlí spálíme (což je nejprimitivnější využití jedinečné chemické suroviny, která není nahraditelná), pak ohříváme páru, tou roztáčíme drahou turbínu, tou poháníme generátor a tím produkujeme elektrickou energii. Pak následuje dlouhé ztrátové vedení a pak teprve my, co tím zbytečkem drahé energie vytápíme špatně zateplené budovy, drahá švejkovina... Přitom je dostatek tepelné energie všude kolem. Jediným výrazným primárním zdrojem energie na Zemi, který nezpůsobuje nárůst entropie je energie slunečního záření. Slunce si svou entropickou daň zaplatí svým zánikem za miliardy roků a my s ním, pokud nezanikneme mnohem dříve vlivem vlastního chaosu, neuspořádanosti, nevratnosti a entropie a nejen té energetické.
