§ 90. Энтропия и беспорядок
Тепловая энергия тела — это энергия хаотического, беспорядочного движения его молекул. Этой хаотичностью тепловое движение молекул отличается от макроскопического механического движения тела, при котором составляющие его молекулы движутся упорядочение. Например, при поступательном движении тела все его молекулы движутся с одной и той же скоростью, которая накладывается на скорости их хаотического теплового движения. Превращение тепловой энергии в механическую сводится, следовательно, к превращению хаотического теплового движения в движение упорядоченное.
Наоборот, преобразовать механическую энергию в тепловую — значит превратить энергию порядка в энергию беспорядка. Нетрудно понять, что эти два обратных друг другу процесса неравноправны: превратить упорядоченное движение в хаотическое несравненно легче, чем произвести обратное превращение.
Рис. 97.
Следующий простой пример поясняет это. Представим себе ящик с черными и белыми шариками, уложенными так, что в каждой половине ящика находятся шарики одного цвета (рис. 97, а). Достаточно теперь несколько раз встряхнуть ящик, чтобы шарики в нем перемешались и расположились в полном беспорядке (рис. 97, б). Простое встряхивание превратило порядок в расположении шариков в беспорядок.
Нельзя, однако, таким же встряхиванием привести шарики снова в упорядоченное состояние, так, чтобы в каждой половине
ящика опять оказались шарики одного цвета. Строго говоря, при многократном повторении встряхиваний принципиально возможно, что какой-то очередной толчок и приведет к установлению порядка. Но такое случайное событие, очевидно, крайне маловероятно. К беспорядку приводит практически каждое встряхивание, к порядку — одно из очень многих.
Эта своеобразная необратимость должна еще сильнее проявиться в любой молекулярной системе, где число молекул неизмеримо больше числа шариков в ящике. Столкновения между молекулами «встряхивают» систему и приводят ее к беспорядку, даже если в какой-то момент в системе царит порядок.
Если две части тела находятся при разных температурах, то такое его состояние является более упорядоченным, чем состояние, при котором температура его всюду выравнялась в результате теплопроводности. Точно так же если в сосуде, разделенном перегородкой, находятся два разных газа, то такое состояние системы более упорядочено, чем в смеси этих газов, и т. д. Всякий; естественный процесс всегда протекает так, что система переходит в состояние с большим беспорядком: температуры тел сами собой выравниваются, газы сами перемешиваются и т. д.
Сходство между степенью беспорядка системы и ее энтропией очевидно. Естественно поэтому считать энтропию мерой беспорядка системы. Имея в виду связь между энтропией и вероятностью состояния, можно сказать, что состояние с большим беспорядком характеризуется большей термодинамической вероятностью, чем более упорядоченное состояние.
С этим связана и необратимость тепловых процессов: они протекают так, чтобы беспорядок в системе увеличивался. Необратимость тепловых процессов — это необратимость порядка и беспорядка. С этим связан и тот факт, что любой вид энергии в конце концов переходит в тепло, так как тепловая энергия — это энергия беспорядочных движений, в то время как все другие виды энергии связаны с более упорядоченным движением.
Резюмируя все сказанное выше об энтропии, сформулируем еще раз ее основные свойства:
Энтропия является функцией состояния системы.
Для вычисления энтропии системы в данном состоянии относительно какого-нибудь состояния, принятого за нулевое, нужно вычислить значение 
при каком-нибудь обратимом процессе, приводящем систему из данного состояния в нулевое. Энтропия замкнутой системы остается постоянной, если система претерпевает обратимое изменение состояния. Энтропия замкнутой системы, необратимо изменяющей свое состояние, возрастает. Максимальное значение энтропии соответствует равновесию системы. Энтропия непосредственно связана с вероятностью состояния.
Возрастание энтропии системы при необратимом изменении ее состояния означает, что система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние. Энтропия является мерой беспорядка системы.
Рост энтропии при необратимом процессе означает, что энергия, которой обладает система, становится менее доступной для преобразования в механическую работу. В состоянии равновесия, когда энтропия достигла максимального значения, энергия системы вовсе не может быть преобразована в работу.
