O entropii, inteligentnej medúze a entroposlepote

Autor: Ctirad Klimčík | 14.3.2018 o 0:02 | (upravené 14.3.2018 o 9:06) Karma článku: 2,07 | Prečítané:  549x

Vysvetľujem, ako fyzika uvidela ďalej ako naše zmysly a povedala nám, že telesá nemávajú len objem ale tiež entropiu

Na úvod podotknem, že je lepšie čítať tento blog až po zoznámení sa s jeho predchodcom s názvom "Prečo je definovanie teploty pekné". Na druhej strane to nie je úplne nevyhnutné; v podstate stačí, aby čitateľ uveril tomu, že teplota sa dá definovať ako fyzikálna veličina tj. dá sa objektívne rozhodnúť, či teplota nejakého telesa je alebo nie je dvakrát vyššia ako teplota nejakého iného.

Predstavte si teraz, že sedíte  na pohyblivom pieste, ktorý uzatvára kovovú valcovú nádobu naplnenú plynom. Niekto  boky nádoby ohreje a vy ucítite, že ten piest vám tlačí i zohrieva vaše pozadie viac ako predtým (to vám dá intuitívnu predstavu o rastúcom tlaku i teplote plynu)  a tiež uvidíte, že sa objem plynu zväčšuje. Žiadny ľudský zmysel vám však neprezradí, že sa tomu plynu zväčšila aj entropia. A keďže taký zmysel nemáme, my entroposlepí ľudia sme až do roku 1865 netušili, že nejaká entropia vôbec existuje a že je dôležité jej hodnotu telesám priraďovať. Naozaj, z akýchsi zvláštnych dôvodov nás evolúcia  vybavila citlivosťou iba na prvé tri  zo štyroch základných termodynamických veličín (tlak, teplota, objem a entropia), pričom v matematickej štruktúre  termodynamiky hrá dvojica (tlak, objem)  absolútne rovnocennú úlohu ako pár (teplota, entropia).

Entropia je vôbec jednou z najfascinujúcejších veličín vo fyzike  a možno preto sa o nej narozpráva (či niekedy doslova natára) všetko možné. Každý azda počul, že je to miera neusporiadanosti fyzikálneho systému, ale snáď sa vie už menej,  že  pôvodne nebola zavedená do fyziky týmto spôsom. Tá interpretácia v zmysle neusporiadanosti bola nájdená, až keď už o dôležitosti entropie nebolo pochýb. Ja tu naznačím, ako bola entropia zadefinovaná v tom roku 1865, o tých "mierach neusporiadanosti", raste entropie atď. hádam napíšem niekedy inokedy.

Základom môjho výkladu bude hypotetický príbeh z ríše zvierat. Avšak pozor! Netvrdím, že existuje nejaký živočích, ktorý by mal vyvinutý špeciálny zmysel na rozlišovanie entropie (možno zoológovia by o nejakom vedeli ?), práve naopak, stvorím si ako pedagogickú pomôcku hypotetickú entroposlepú medúzu, ktorá je slepá aj v bežnom zmysle slova. Inými slovami  ona nielenže nerozlišuje entropiu ale ani obyčajný objem. Kým pre nás ľudí je objem telesa prirodzená veličina, ktorú vidíme a entropia je matematická abstrakcia, ktorú neentropovidíme, pre našu slepú medúzu, ktorú mimochodom vybavíme mimoriadnou matematickou inteligenciou,  sú aj objem aj entropia matematické abstrakcie,

Pre jednoduchosť zvolíme našu  medúzu v tvare gule a necháme ju unášať sa v teplom Golfskom prúde spolu s planktónom, ktorý ona prijíma povrchom svojho tela ako potravu. Medúza sa presúva za novou korisťou len veľmi pomaly (tj. "vratne" v jazyku fyzikov) a to vždy kolmo na smer pohybu prúdu. Keď sa ponorí hlbšie, cíti cez povrch svojho tela väčší tlak vody a keď sa priblíži bližšie stredu prúdu, cíti jej vyššiu teplotu. Navyše je to inteligentná medúza, ktorá vie, že tlak i teplota sú fyzikálne veličiny a má svoje metódy na to aby napr. zistila,  či v pondelok ráno o šiestej cítila dvakrát vyšší tlak (teplotu) ako v utorok ráno.

Naša medúza ďalej cíti, ako je jej dobre, či, inými slovami, koľko má energie a dokonca vie, že energia je taktiež fyzikálna veličina. Nakoniec naša medúza chápe, že energiu prijíma či vydáva rozličnými spôsobmi a vie medzi týmito spôsobami rozlišovať. Konkrétne na ceste za potravou sa ponára alebo viac alebo menej a zároveň sa vzďaľuje či približuje najteplejšiemu miestu (stredu) prúdu,  príslušné zmeny tlaku  i teploty mechanicky i tepelne pôsobia na jej telo a menia príslušným spôsobom jeho energiu.  Nakoniec medúza ešte prijíma energiu potravou, jej časť  minie na svoj pomalý pohyb ťažiska, časť na svoje matematické myslenie atď. Opakujem však to podstatné, že ona vie rozlišovať medzi spôsobmi, ktorými získala či vydala energiu. Ak napríklad mala v utorok ráno o šiestej  energiu jeden joule a o siedmej dva jouly, vie že tri jouly získala jedením, pol joulu stratila na pohyb svojho ťažiska, pol na matematické myslenie,  pol vydala na mechanickú prácu, ktorou pôsobila na okolie a pol na teplo, ktorým ohriala okolie,

Naša medúza sa  špeciálne  rada kŕmi na dvoch miestach: jedno označené ako A je v hĺbke 1 meter a vzdialené 100 metrov od stredu prúdu a druhé B je v hĺbke 10 metrov a je presne v strede (naša medúza však nemá priestorové vnímanie a na rozdiel od nás nerozlišuje   miesta A a B podľa hĺbky a vzdialenosti od stredu lež podľa tlaku a teploty, ktoré tam vládnu). Cesta z A do B   trvá medúze dvanásť hodín a je vždy iná. Raz sa najprv   ponorí z jedného metra do desiatich a potom naberie v hĺbke smer na stred prúdu, inokedy smeruje k stredu tesne pod hladinou a ponorí sa do hĺbky desať metrov až keď je v strede prúdu a na tretí raz to kombinuje: trochu sa ponorí trochu posunie k stredu, znova sa trochu ponorí a trochu posunie k stredu atď. Jedného dňa medúzu napadlo zapamätať si, koľko energie vymenila mechanicky (tj. koľko práce vykonala na svojom okolí)  za každú hodinu presunu z A do B. Keď všetky tieto čísla spolu sčítala, zistila, že výsledok závisí od dráhy, ktorou sa presunula z A do B.  Potom však medúza vydelila vykonanú prácu za každú hodinu priemerným tlakom, ktorý cítila počas danej hodiny. Keď posčítala dokopy všetky tieto podiely, dostala číslo, ktoré už nezáviselo od dráhy. "To je geniálne!" - povedala si vtedy medúza. - "Kdekoľvek sa kŕmim, okrem teploty a tlaku je ešte nejaké iné číslo, ktoré ma charakterizuje. Nazvem ho objem. Ak ho poznám v jednom jedinom mieste A, poznám ho aj v mieste B, ba i C, skrátka všade inde. Naozaj, stačí mi si zvoliť ľubovoľnú dráhu z A do C a vysčítať kúsok po kúsku tej dráhy podiely vykonanej práce  a tlaku. Takto dostanem   rozdiel môjho objemu   v bode A a bode C a keďže môj objem v A poznám, poznám ho tým i v C."-  Hrdá na svoj výsledok, medúza sa uložila k spánku neustále si opakujúc  "Ja mám objem! Ja mám objem!" Samozrejme my ľudia ten objem medúzy vidíme, lež ona sama ho nevidí.  Pre ňu znamená uvedomiť si svoju objemnosť obrovský vedecký výsledok. Silou  svojho mozgu prekonala svoj fyzický handicap a pomocou matematiky "uvidela". 

Pokiaľ ide o entropiu, medúza (i človek) ju nadefinuje veľmi podobne ako objem tj. vydelí prijaté teplo od okolia za každý malý úsek presunu priemernou teplotou cítenou na tomto úseku a všetky tieto podiely vysčíta. Ukáže sa, že výsledok tohoto vysčítania nezávisí na dráhe, po ktorej sa medúza dostala z A do B a  nazveme ho  rozdielom entropie medúzy v bode A a v bode B. A tak vieme, že medúza má entropiu i keď to uniká našej (i jej) predstavivosti. Načo je to dobré vedieť? O tom sa azda zmienim inokedy.

Nakoniec uvediem, že v skutočnosti vysčítavanie tých   podielov tepla a teploty nenapadlo vedcov v devätnástom storočí len tak z rozmaru;  oni mali  dobré teoretické dôvody očakávať, že výsledok nebude závisieť od dráhy z A do B.

 

 

 

 

 

 

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

Dnes píše Matúš Ritomský

Dnes už vieme, že kto nemá zbrojný pas, nie je skutočný Slovan

Maska pacifizmu padla.

Píše Mikuláš Dzurinda

Únia sa musí zmeniť na federáciu (píše Mikuláš Dzurinda)

Aby Únia vzbudzovala nádej aj rešpekt.


Už ste čítali?