Mitä oikein energia ja entropia käytännössä tarkoittavat?

Energia on kyky tehdä työtä. Lyhyesti sanottuna lentokone vaatii polttoainetta lentääkseen, polttoaine sisältää kemiallista energiaa, joka muuttuu lentokoneen liike-energiaksi moottoreissa. Toinen esimerkki on sokeri, jota sinäkin saat ruoan mukana. Sokeri muuttuu soluissa lämmöksi tai liike-energiaksi, jota kulutetaan esimerkiksi kävelyyn ja ruumiin lämpötilan ylläpitoon. Energiaa on useita eri lajeja riippuen siitä, millainen tilanne on kyseessä. Esim. Vesiputouksessa veden potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi, kun vesi putoaa alas putouksesta.

Entropia on hankala ja monimutkainen käsite mutta siitä voisi sanoa, että se on eräänlainen epäjärjestyksen mitta. Entropia määrää esimerkiksi sen, ettei ikiliikkujaa käytännössä pystytä rakentamaan, koska liikkujaan varastoitu energia kuluu esimerkiksi kitkaan ja muihin systeemistä energiaa ulos vieviin tapahtumiin. Entropian vuoksi myös esimerkiksi aika tikittää ainoastaan tulevaisuuteen ja että energia virtaa kuumasta kylmään päin, eikä päin vastoin. Tuosta jälkimmäisestä tapauksesta esimerkkinä voisi olla tilanne, jossa 25 asteiseen veteen lisätään 65 asteista vettä, jolloin sekoitteen korkein mahdollinen lämpötila on vähemmän kuin 65 astetta, ei esimerkiksi 100 astetta. (Poislukien tietysti tilanne, jossa vettä lämmitetään erikseen.)

Huomaa että täällä ei entropiasta tiedetä hevon kukkua. Vähän nyt tolkkua hommaan.

Entropialla on monta merkityksiä ja entropia käsitteitä on lukuisia. Itse viittasin C. Shannonen digitaaliseen vallankumoukseen johtaneen teoksen (v. 1948) määritelmään.

Ideaalisysteemin eli tasapainossa olevan systeemin entropia on maksimaalinen ja energia minimaalinen. Toisin sanoen stabiilissa systeemissä on korkein mahdollinen epävarmuus ja pienin mahdoliinen harha. Siis maksimaalisen entropian omaava systeemi on tilastollisesti ilmaistuna lähes harhaton eli keskimäärin hyvin ennustettava mutta hyvin satunnainen eli mikrotasolla ennustettavuus on hyvin heikko.

Otetaan käytännön esimerkki energiasta ja entropiasta. Oletetaan alkutilanteeksi, että et ymmärrä mitä energia ja entropia on. Sitten kun opiskelet ja ymmärrät nämä käsitteet, aivojesi entropia on vähentynyt. Mutta eikö entropian pitäisi kasvaa, eikä vähetä. Selitys tähän on, että opiskelusi kuluttaa energiaa ja tämä energian kuluttaminen lisää entropiaa ympäristössäsi eli kokonaisentropia on kasvaa.

Minulle entropia on aina ollut helpointa selittää koko universumilla;

Universumin alkutila on oletettavasti ollut singulariteetti, jossa koko universumi oli. Entropia oli niin matala, että se oli lähes nolla.

Universumin toinen ääripää saattaa olla tilanne, jossa aine on hajonnut ja fotonit ovat levinneet koko universumiin tasaisesti, ollen mahdollisimman kaukana toisistaan. Entropia niin korkea, kuin universumin mittakaavassa mahdollista.

Entropia siis kasvaa mahdollisimman korkeaksi suljetussa järjestelmässä.

Korkeimman entropian tilanne on kuitenkin vain TODENNÄKÖISIN tilanne. Tästä ei seuraa, että se on automaatti. Itseasiassa Maxwell itse aikoinaan esitteli ajatus leikin, Maxwellin Demonin, jonka tarkoitus oli osoittaa että termodynamiikan toinen pääsääntö, "Entropia lisääntyy suljetussa järjestemässä", oli itseasiassa vain todennäköisyyslaskennallinen vaihtoehto, ei absoluuttinen laki.

Tästä seuraa, että entropia ei ole aivan "suoraviivainen" ja sen soveltamisessa on oltava tarkkana. 3 molekyyliä ilmaa tyhjässä laatikossa ei seuraa Termodynamiikkaa tai entropiaa, mutta 6 alkaa seurata ja puolen ilma litran (enemmän atomeja, kuin maailmankaikkeudessa tähtiä) voi jo olettaa olevan aika lailla termodynamiikan ennustamassa entropisessa tilassa... tosin ei AIVAN varmasti.