Energie, entropie?!

Někteří z vás již určitě slyšeli o pojmech „entropie” a „energie.” Bude zde i část čtenářů, která si myslí, že ví, co tyto věci vlastně jsou. Musím vám však prozradit, že v mnoha případech je vaše mínění o entropii a energii pouhou miskoncepcí. Rád bych vám je tedy přiblížil. Netvrdím, že toho o nich vím více než vy, ale i přesto po vás chci, abyste nezůstávali v platónově jeskyni a vyslechli si mou verzi.
Ještě předtím, než se vrhneme k té zdánlivě záhadné věci, jménem entropie, tak si musíme definovat, co je to vlastně energie a co dokáže. Všichni si určitě myslíte, že energie je například teplo vzniklé při chemické reakci, nebo energie uvolněná při pádu tělesa. Máte zčásti pravdu, ale to co doopravdy prožíváme a poznáváme jako energii, je pouze rozdíl energií určitých energetických hladin. Tato forma energie se někdy nazývá také „aktivní energie.” Máme tu však i energii potencionální, kterou určitě všichni znáte z hodin fyziky. Těleso, které je v určité výši nad nebo pod „hladinou nulové energie” má tedy jakýsi polohový potenciál. Klasická mechanika definuje celkovou energii hmotného bodu (v tíhovém poli) jako součet kinetické a polohové energie, tedy: \(\Sigma E = E_p + E_k\).
My se však v zájmu entropie musíme podívat o něco blíže. Ti z vás, kteří se vyžívají v přírodních vědách, určitě ví, že hmota je také forma energie. A že je dokonce možné zjistit, jaký rozdíl energie by to způsobilo, kdybychom tzv. vysáli všechnu energii z té hmoty. Hmotnost a energii spojuje rovnice $E=mc^2$. Tu známe ve spojení s Albertem Einsteinem a jeho Speciální teorii relativity. [E] pro energii, [m] pro hmotnost a [c] pro rychlost světla. Tato magická věc není nic víc, než potencionální/aktivní energie částic, ze kterých je hmota „složená”. Neboť elementární částice neustále oscilují, tak mají pořád jakousi energii. Částice však nejsou tak moc částice, jako spíše stojaté vlnění (ale o tom někdy jindy). Asi si říkáte, že to je strašně moc. Například energie z hmotnosti jedné kočky by dokázala napájet Norsko po celý rok. Ale opravdu tomu tak není, pouze jste zvyklí na neefektivní přeměnu energie. Například při štěpení jader $^{235}U$ na $^{92}Kr$ a $^{141}Ba$ a pár odvržených neutronů se přemění přibližně 0,08% energie, která se schovává v hmotnosti samotného uranu. Nejvíce efektivní jsou v tomto ohledu rotační černé díry. Teď si musíte říkat: „Co to mele? Vždyť co můžou dělat černé díry s energií?” Černé díry však mají velmi silná gravitační pole a gravitační pole přeci dokáže přeměnit potencionální energii v kinetickou. To přesně dělají černé díry a nejlépe ty rotační, které zakřivují časoprostor takovým způsobem, že jejich inner-most-stable-orbit (vnitřní nejstabilnější orbita) je o mnohem blíže k horizontu událostí, než u nerotační černé díry. A určitě víte, že čím blíže jste k „centru” hmoty, tím „silnější” je gravitační pole. Tudíž se zde tělesa v blízkosti pohybují rychlostí světla. Rotační černé díry tedy dokáží přeměnit až 75% energie, která je „uchována” v hmotnosti tělesa. Dalším zajímavým příkladem využití potenciálu tíhových polí je tzv. Interplanetární dalnice, kterou jsme využili například k vypuštění sond Voyager do „širého” vesmíru. Pokud zhruba dokážeme říci, co to ta energie vlastně je, tak se ještě podíváme na druh energie, která se s entropií nejvíce váže (všechny formy energie by si měly být rovny, pouze o nich tak hovoříme). A to je tepelná energie. Ušetřím vás zbytečných podrobností a vrhneme se na to. Často slýcháme, že entropie je jakousi mírou neuspořádanosti, nebo zmatku, ale to není tak úplně pravda. Představte si dva kusy nějakého kovu, jeden je horký a druhý je studený. Přiložíte je k sobě a po nějaké době zjistíte, že se jejich teploty vyrovnali a jsou takové vlažné (ty kusy železa). A to způsobilo zvýšení entropie systému. Na tomto principu je založen druhý termodynamický zákon (jakým směrem proudí teplo). Teplo se rovnoměrně rozložilo v soustavě, neboť to pro ně bylo výhodné. Zde je další příklad. Představte si, že strašně potřebujete vyprázdnit svůj močový měchýř. Pokud máte tu možnost, tak i tak učiníte. Snížíte tedy koncentrovanost tekutin ve vašem měchýři a předáte ji okolí, protože je to pro vás (energicky) výhodné. Podobně se zachovaly i ty dva kusy kovu. Pokud by někdo chtěl studovat hlouběji, tak Le Chatelierův princip. Někteří také určitě znají pojem disperze. Disperze je také pouhý důsledek entropie, kdy systém, který má vysokou koncentrovanost určité fluidní látky (tekuté/plynné) v jednom místě přechází do stavu, kdy zde není téměř žádný energetický rozdíl v systému. Látka se tudíž rovnoměrně rozptýlí. Entropie je tedy to: „Jak moc se energie rozvolňuje v systému.” Doufám, že se tedy již nenajdou lidé, co by po přečtení tohoto článku vysvětlovali bordel ve svém pokoji jako důsledek entropie.