Entropia

Entropia eli haje on fysikaalinen suure, joka ilmaisee epäjärjestyksen määrän systeemissä. Entropiaan liittyvä epäjärjestys tarkoittaa useimmiten energiann tai materia jakautumista yhä tasaisemmin sille varatussa tilassa, satunnaisuuden ja todennäköisyyden kasvamista sekä erojen ja informaation vähenemistä. Entropia on keskeinen käsite termodynamiikassa, fysikaalisessa kemiassa, tilastollisessa mekaniikassassassa ja informaatioteoria, sekä psykologiassa ja mielenfilosofiassa, joissa se määritellään kussakin hieman eri tavoin. Eri tulkinnat vastaavat toisiaan silloin, kun tarkasteltava systeemi on riittävän suuri ja kun se on termisessä tasapainossa. Entropian tunnus on S.

Entropia termodynamiikassa

Termodynamiikan toinen pääsääntö määrittelee entropian yhdeksi maailmankaikkeuden perusominaisuudeksi, jonka kokonaismuutos eristetyssä systeemissä on aina suurempi tai yhtä suuri kuin nolla. Tämä tarkoittaa sitä, että fysikaalinen systeemi pyrkii itsestään kohti suurempaa epäjärjestystä eli tässä tapauksessa termodynaamista tasapainotilaa. Mikäli tehdään työtä järjestyksen kasvattamiseksi, kuluu osa tehdystä työstä väistämättä lämmön tuottamiseen, jolloin kokonaisentropia on jälleen kasvanut. Entropia voi kuitenkin vähentyä paikallisesti systeemin tietyssä osassa.

Koska kokonaisentropia muuttuu ainoastaan suurempaan päin, määrittelee se suunnan luonnonilmiöiden tapahtumiselle ja ajan kululle. Kun suurin mahdollinen entropia on saavutettu, ei mikään muutos systeemissä ole enää mahdollinen, ellei siihen ala vaikuttaa jokin ulkopuolinen voima. Termodynaamisen entropian yksikkö on J/kgK.

Termodynamiikassa entropian muutos määritellään

$\backslash Delta\; S\; =\; \backslash int\_1^2\; \backslash frac\{dQ\}\{T\}$

missä $dQ$ on systeemiin tuleva lämpö ja $T$ se lämpötila, jossa lämpö tulee systeemiin. Prosessi $1\; \backslash to\; 2$ systeemin tilasta 1 tilaan 2 on tässä määrittelykaavassa reversiibeli eli palautuva prosessi.

Entropia informaatioteoriassa

Informaatio- eli viestintäteoriassa entropia on suure, joka mittaa viestin (esimerkiksi sarja binäärimuotoisia bittejä) sisältämän informaation määrää. Mitä suurempi viestin entropia on, sitä enemmän se sisältää satunnaisuutta ja sitä vähemmän tietoa ja järjestystä. Toisella tavalla ilmaistuna suurempi entropia tarkoittaa suurempaa epävarmuutta siitä, mikä viestin seuraava merkki tulee olemaan.

Boltzmannin–Gibbsin entropia on tilastollisen fysiikan ja informaatioteorian käsittein

$S\; =\; -k\backslash sum\_\{i=1\}^np(i)\backslash log\; p(i)\backslash ,\backslash !$

missä $p\_i$ on mikrotilan todennäköisyys ja k on lähinnä mittayksikön määrittävä keinotekoinen vakio. Termodynamiikassa k on Boltzmannin vakio (1,380658 · 10⁻²³ J/K). Mikäli kaikkien mikrotilojen todennäköisyys on sama, voidaan lauseke yksinkertaistaa muotoon

$S\; =\; k\; (\backslash ln\; \backslash Omega)\; \backslash ,\backslash !$

missä $\backslash Omega$ on kaikkien mahdollisten mikrotilojen lukumäärä tietyssä makroskooppisessa tilassa.

Entropia arkielämässä

Arkinen vertauskuva entropiasta on huoneen epäjärjestyksen kasvaminen, mikäli ei tee työtä sen siistinä pitämiseksi. Vaikka kyseessä olevassa ilmiössä onkin enemmän kyse huolimattomuudesta kuin entropiasta, kuvastaa se silti asioiden pyrkimystä kohti suurempaa epäjärjestystä.

Sekoitettaessa saman verran kuumaa ja kylmää vettä suljetussa systeemissä on lopulta tuloksena näiden yhteenlaskettu vesimäärä, jonka lämpötila on kaikkialla alkuperäisten vesimäärien lämpötilojen puolivälissä, ja molempien vesimäärien molekyylit ovat satunnaisesti jakautuneet. Entropia on myös sitä, että jääkuutiot sulavat juomaan, mutta juoman lämpötilan pysyessä vakiona siihen ei voi enää itsestään syntyä uusia jääkuutioita.

Entropia ja maailmankaikkeus

Maailmankaikkeutta voidaan pitää suljettuna systeeminä. Siksi sen kokonaisentropia on käytännössä jatkuvassa kasvussa. Nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeus laajenee jopa kiihtyvällä tahdilla: se merkitsee, että vähitellen galaksit, tähdet ja lopulta niiden atomit ja atomien osaset sekä lämpöenergia tulevat hajaantumaan yhä tasaisemmin avaruuteen. Näin maailmankaikkeus kulkee kohti suurinta mahdollista entropiaa. Koska maailmankaikkeuden ulkopuolella ei katsota olevan mitään, ei tilassa voi enää tapahtua muutosta. Maailmankaikkeuden tarkka tulevaisuus on kuitenkin yhä epävarma, ja kosmologian kehittyessä uusia kehitysnäkymiä saattaa tulla ilmi.

Entropia ja maapallo

Esimerkiksi maapallo ei ole suljettu systeemi, vaan sinne tulee energiaa ulkopuolelta, mm. jatkuvasta auringon säteilystä. Tämänkaltaisessa systeemissä ulkopuolelta saapuva lisäenergia voi tuottaa järjestystä ja aiheuttaa entropian pienenemistä.

Muita entropian määritelmiä

Psykologian professori Mihaly Csikszentmihalyi on tuonut käsitteet psyykkinen entropia ja kompleksisuus ihmistieteisiin kuvaamaan tietoisuuden epäjärjestystä.

Ihmisen tietoisuudessa epäjärjestys muodostaa jatkuvan uhan, koska minän keinot ymmärtää ja hallita maailmankaikkeutta ovat rajalliset. Universumi on kokemuksellisesti kaoottinen, mielivaltainen, vailla tarkoitusta ja merkitystä aiheuttaen tietoisuudessa mm. eksistentiaalista ahdistusta. Tätä tietoisuuden epäjärjestystä ja disorganisaatiota Csikszentmihalyi kutsuu psyykkiseksi entropiaksi. Sen vastakohta on optimaalinen kokemus, jota hän nimittää flow:ksi. Flow-kokemuksessa ihminen paneutuu koko kapasiteetillaan keskittyneesti tavoitteelliseen toimintaan sulkien kaiken muun tietoisuudestaan. Flow lisää psyyken sisäistä vahvuutta ja kompleksisuutta ihmisen saadessa todellisuuskuvansa järjestykseen ja hallintaan. Optimaalinen flow-kokemus syntyy, kun ihmisen taidot vastaavat käsillä olevaa haastetta ja hän on kiinnostuneesti paneutunut ko. aktiviteettiin. Csikszentmihalyi on tutkimuksissaan todennut ihmisten olevan onnellisimmillaan juuri tällaisina hetkinä elämässään.

Katso myös

• järjestys
• termodynamiikka
• entalpia

Lähteitä

• Hans Chritian Baeyer: 'Information – The New Language of Science' (Phoenix, England 2004, 1st Edition 2003); luku 11
• Peter Atkins: 'Galileo's Finger – The ten great ideas of science' (Oxford University Press, Great Britain 2003); luku 4
• Arponen–Honkonen: Statistinen fysiikka, Limes ry, 2000
• WSOY: CD-Fakta 2004
• Markku J. Lampinen: Termodynamiikan perusteet, Otatieto 582, 1997.

Aiheesta muualla

• Entropia ja termodynamiikan toinen pääsääntö