Кіріспе

Энтропия ұғымы жану реакцияларынан босатылған белгілі бір мөлшердегі функционалдық энергияның әрқашан таралуға немесе үйкеліске кетіп, тиімді жұмысқа айналмайтыны байқалғаннан кейін пайда болды. Томас Северидің (1698), Ньюкоменнің (1712) және Кугноның (1769) бу машинасы сияқты алғашқы жылумен жұмыс істейтін қозғалтқыштар тиімсіз болды, кіріс энергиясының екі пайызынан да аз бөлігін тиімді жұмысқа айналдырды; көптеген пайдалы энергиялар таралып немесе жоғалды. Келесі екі ғасыр бойы физиктер жоғалған энергияның осы жұмбағын зерттеді; нәтижесінде энтропия ұғымы қалыптасты. 1850 жылдардың басында Рудольф Клаузиус термодинамикалық жүйе ұғымын енгізіп, кез келген қайтымсыз процесте δQ жылу энергиясының шағын мөлшері жүйе шекарасында біртіндеп таратылады деген пікірді айтты. Клаузиус жоғалған энергия туралы өз идеяларын дамытуды жалғастырды және энтропия терминін қолданды. 20-ғасырдың ортасынан бері энтропия ұғымы ақпараттық теория саласында қолданыс тауып, ақпараттарды беру жүйелеріндегі деректердің ұқсас жоғалуын сипаттайды.

Классикалық термодинамикалық көзқарастар

1803 жылы математик Лазар Карно «Тепе-теңдік пен қозғалыстың негізгі принциптері» атты еңбегін жариялады. Бұл жұмыста негізгі машиналардың, яғни шкивтер мен көлбеу жазықтықтардың тиімділігі туралы талқылау бар. Карно механикалық энергияны сақтау туралы жалпы пікір қалыптастыру үшін механизмдердің барлық бөлшектерін зерттеді. Келесі үш онжылдық бойы Карно теоремасы кез келген машинадағы қозғалатын бөлшектердің үдеуі мен соқтығысуы белсенділік моментінің жоғалуын, яғни пайдалы жұмыстың ысырап болуын көрсетеді деп қабылданды. Осыдан Карно мәңгілік қозғалыс мүмкін емес деген қорытынды жасады. Бұл белсенділік моментінің жоғалуы термодинамиканың екінші заңының алғашқы қарапайым тұжырымы және «айналу энергиясы» немесе энтропия, яғни ыдырау мен үйкелістен жоғалған энергия тұжырымы болды. Карно 1823 жылы жер аударылуда қайтыс болды. Келесі жылы оның ұлы Сади Карно инженерлерді даярлайтын Эколь Политехник мектебін бітірген, бірақ қазір ағасы Ипполитпен бірге Париждегі шағын пәтерде жартылай жалақымен өмір сүріп, «Оттың қозғаушы күші туралы ойлар» атты еңбегін жазды. Бұл кітапта Сади кез келген жылуды (яғни, калорияны) жұмысқа айналдыратын идеалды қозғалтқышты көзге елестетеді, оны циклдің қозғалысын кері қайтару арқылы қалпына келтіруге болады, бұл кейіннен термодинамикалық қайтымдылық деп аталды. Сади әкесінің жұмысына сүйене отырып, жұмысқа айналдыру кезінде «бірқатар калория әрқашан жоғалады» деген тұжырымды жасады, тіпті оның идеалды қайтымды жылу қозғалтқышында да, ол кез келген нақты машинаның жетілмеушілігіне байланысты үйкеліс және басқа да шығындарды жойды. Ол сондай-ақ, бұл идеалды тиімділік тек қозғалтқыштың жұмыс істейтін сұйықтарының түріне емес, жылу резервуарларының температурасына ғана тәуелді екенін анықтады. Кез келген нақты жылу қозғалтқышы Карно циклінің қайтымдылығына жете алмайды және одан да аз тиімді болуға міндетті болды. Бұл пайдалы калорияның жоғалуы энтропияның өсуінің алғашқы көрінісі болды, біз оны қазір білеміз. Калория тұрғысынан тұжырымдалғанмен, бұл термодинамиканың екінші заңына жасалған алғашқы көзқарас болды.

Кейінгі дамуы

1876 жылы физик Дж. Виллард Гиббс Клаузиус, Герман фон Гельмгольц және басқалардың еңбектеріне сүйене отырып, термодинамикалық жүйедегі "пайдалы энергияның" ΔG өлшемін математикалық тұрғыда жүйедегі жалпы энергия өзгерісі ΔH-тан "энергия шығыны" TΔS-ты қысқартқанда есептеуге болатынын ұсынды. Бұл идеяларды Джеймс Клерк Максвелл [1871] және Макс Планк [1903] одан әрі жетілдірді.

Халықтық қолданысы

Энтропия термині көбінесе күнделікті тілде түрлі байланыссыз құбылыстарды білдіру үшін қолданылады. Мысалы, Том ДеМарко мен Тимоти Листердің 1987 жылғы «Peopleware» классикалық басылымында, өнімді командаларды және сәтті бағдарламалық жобаларды дамыту мен басқару туралы кітабында, корпоративтік энтропия тұжырымдамасы біршама әзілмен ұсынылған. Олар энергияның ысырабын бюрократиялық кедергілер ретінде, ал бизнес-команданың тиімсіздігін энергияның ысырапқа кету түрі ретінде қарастырады, яғни энергияның босқа жұмсалуы. Бұл ұғым кеңінен танымал болып, қазір бизнес мектептерінде жиі қолданылатын жаргонға айналды. Тағы бір мысал ретінде, энтропия Исаак Азимовтың «Соңғы сұрақ» атты әңгімесінің орталық тақырыбы болып табылады (алғаш рет 1956 жылы авторлық құқығы тіркелген). Бұл әңгіме энтропияның өсуін қалай тоқтатуға болатын деген оймен ойнайды.

Терминологияның бір-біріне ұқсауы

Қажет болған жағдайда, статистикалық термодинамикалық энтропия тұжырымдамасы мен түрлі зерттеушілер ұсынған энтропияға ұқсас формулаларды ажырату үшін, статистикалық термодинамикалық энтропияны Гиббс энтропиясы деп атау дұрыс. Әдебиетте Болцманн-Гиббс энтропиясы немесе BG энтропиясы, сондай-ақ Болцманн-Гиббс-Шеннон энтропиясы немесе BGS энтропиясы терминдері де кездеседі.