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エントロピーの意味と影響について
- エントロピーについてネットを調べていると、要は乱雑さであるという事を皆さん書かれています。
- エントロピーの増大による影響や自分自身のエントロピーの増大について知りたいです。
- エントロピーが増大すると宇宙全体においても増大し、無限に大きくなると考えられますが、そもそも物質が限りなく小さい原子や分子にとっては影響は限定的なのではないか、時間の経過とエントロピー増大の関係についても知りたいです。
- 唯野 猫助（@chitaniumu）
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- 物理学
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エントロピーは、基本的に熱力学に必要な概念の一つで、それを数式化したときの項だということです。熱力学を学ばないなら必要はありません。 熱力学で、似た言葉で違う意味のものにエンタルピーなんてありますが、もっともっと不要でしょう。 しかし、これが一般向け説明に出てくるのは「自然は必ず乱雑になる方向に変化する」ということの説明に対応する言葉として便利だからでしょうね。 熱力学以外の、他の物理学分野では時間を逆転させても、完璧に成立します。真空中をボールが落ちるところを撮影し、逆転再生したら、ボールがほうり上げられたのと区別はつきません。時間を巻き戻しても、何も困らないのです。 熱力学だけが時間を巻き戻せません。 雪だるまが太陽に当たって、だんだん融けて崩れる様子を撮影し、逆転再生したら、誰でもおかしいことに気が付きます。 コンロの火にかけた鍋の熱湯が沸騰を止め、凍りだしたら、誰でもおかしいことに気が付きます。 ピンク色のペンキをかき混ぜたら、どんどん赤と白に区分けされたペンキになったら、誰でもおかしいと気が付きます。 それが熱力学で、その肝となるのがエントロピーという考え方です。 エントロピーは、時間と共に変化するものですから、時間が無ければ意味はありません。 生物はエントロピーは増大しません（老化はエントロピーの増大かどうかは、ややこしくなるので置いておきます）。それは、食べ物を食べ、酸素を吸うことでエネルギーを得て、それを使ってエントロピーが増大しないよう（＝死なないよう）、一定に保っている（＝生きている）からです。 このエネルギーは、出もとをたどって行けば太陽に行きつきます（ごく一部は地熱）。 生物でも火を利用する人類のエネルギー源は、太陽以外では、石油も石炭も生物由来らしいので太陽由来ですが、原子力だけは違いますね。 原子力はさておき、地球全体でいえば、エントロピーは特に増大していません。これも太陽からエネルギーを得ているおかげです。 これは蒸気機関と同じく、熱力学でいう熱機関と見ることができ、高温の太陽からのエネルギーを受け、低温の宇宙空間（マイナス270度くらい）に排熱して、エネルギーをいろいろな形で使い、エントロピー増大を防いで、一定の環境を保っています。 やがて太陽も燃え尽きます（赤色巨星化することは置いておきます）。燃え尽きた太陽は、白色矮星となり、最初は高温を保ちますが、それも冷えて行って、太陽系はどこでも同じ温度になります。熱機関は温度差がないと働けないので、そうなるとどうやっても太陽系は生物が生きて行くためのエネルギーが得られない、静かな死の世界になります。 これと同じことが、この銀河系の数多の恒星で起きて、やがてこの銀河系全部が、同様にどこでも温度が同じの静かな死の世界になります。 それが、さらに数多の銀河でも同じようになり、ついには宇宙全体がどこでも温度が同じの静かな死の世界になります。もうそれ以上、永遠に何の変化も起こりません。これは宇宙の熱的死などと呼ばれています。 そうなったとき、時間が何の意味を持つのか、私ではさっぱり分かりません。 今の地球に話を戻すと、エントロピーの増大が防げているのは、太陽や宇宙空間などの「地球の外」があって、そことやり取りできるからです。 また宇宙全体に戻ると、最後に熱的死になるのは、宇宙の外が無いからです。外が無いから宇宙は、エネルギーを得られません。だから、やがて熱的死になってしまうのです。 外が無い環境を閉鎖系と言います。エントロピーに戻ると、閉鎖系では、全体を考えると、エントロピーが必ず増大します。 コップの中の水に水溶性インクを一滴垂らします。コップの水は、混ざり具合だけ考えると閉鎖系です。インクは水に混ざって薄くなって行くだけで、元の濃さに戻ることはありません。 コップの中のように小さくても、宇宙全体のように大きくても、閉鎖系があれば、そこでは必ずエントロピーは増大する、つまり乱雑になっていくばかりです。
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- wr_limited2004
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エントロピーは物質の自由度と解釈しています。 半径数十キロの池にインクを落としても、インクは無制限に広がるわけではありません。 その時の限界がエントロピーの境界線です。 物理学では何でも公式に当てはめてしまいますが、全て相対性理論が成り立っているからだと思います。 よって、時間を超越した概念は、誰も検討がつかないと思います。
お礼
分かり易い回答ありがとうございます！ ＞エントロピーは物質の自由度と解釈しています。 半径数十キロの池にインクを落としても、インクは無制限に広がるわけではありません。その時の限界がエントロピーの境界線です。 との事ですが、それは解放系のである場合って事ですよね？ 逆に閉鎖系では増大に向かうんですよね？ つまり閉鎖系である宇宙全体においては半径数十キロの池に永遠とインクを流し続けるのと同じ事なのではないのですか？ そうすればいつかはインクで染まってしまう。 そうだと仮定すれば、閉鎖系では自由度は無限にあるという事でしょうか？
- Butz
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あまり詳しくはないのですが参考までに・・・。 ＞結局の所、エントロピーが増大するとどんな影響があるのですか？ たとえば自分自身のエントロピーが増大した場合どんな影響があるのでしょう？ 低分子と高分子何かを考えるとわかりやすかもしれないですが、低分子例えば水素分子とかで考えるとエントロピーは高いのは大丈夫ですか？水素分子は小さいですし乱雑さが大きい（＝自由度が高い）とでも考えたらいいのかも。 それに対して高分子はたくさんの原子から出来てて、一つ一つの原子は結合等で縛られてるから個別に見ても全体的に見てもエントロピーは低い（＝自由度は低い）ですよね。 もし高分子に熱を与えると原子が活発になってきちゃいますから、エントロピーは増大していって結合が切れて高分子ではなくなってしまいます。 そんな感じでエントロピーっていう概念が必要になってくるのかと。 ＞という事は宇宙同様、無限にエントロピーは大きくなり続けるわけですよね？ 宇宙を閉じた系？とした場合、熱力学第二法則ではそうだったと思います。 エントロピー増大の法則とか言われてたはずです。 ＞そんなものを、どうして有限の存在である物質が許容できるのですか？ もし、原子や分子よりも限りなく小さいからだとしたら、原子という小さなものでさえ許容しうるものなんて、人間にとってはたいした影響にはならないんじゃないんですかね？ エントロピーは物質ではなく物理量ですよ？ 速さとか重さとかと同じくくりです。 ＞最後に。そもそも、時間の経過とともにエントロピーが増大するのだとしたら、時間の概念が無いor遅い場所（たとえばブラックホールとか余剰次元とか、宇宙の外など）では同じ行動をしてもエントロピーは増大しない（しにくい）のですか？ これに関してはまったくわかりません。ごめんなさいｍ(＿＿)ｍ
お礼
回答ありがとうございます！ ＞エントロピーは物質ではなく物理量ですよ？ 速さとか重さとかと同じくくりです。 なるほど、そこがまず理解できていませんでしたね（笑） どうもありがとうございました！
お礼
毎度の事、詳しい説明ありがとうございます！ なるほど……昔理科の先生が担任だった頃によくこの言葉を聞きましたが、先生がいかに適当な事を言っていたのかが分かりました（笑） それにしても……もし宇宙の全てが熱的死に陥って閉鎖系になって、しかも時間の概念がそのまま残り続けたとしたら無限に乱雑になっていく。そしたら、最終的に宇宙はどうなるのですかね……何のエネルギーもないのだから変化もない。だが乱雑にはなっていく。 乱雑って言うのがどういうものなのかが僕には想像も出来ません……。『増大＝崩壊へ向かっている』のだとしても、変化がないのだから崩壊もしない。 究極的に頭が混乱します……。 自分が死んだら自分の意識がどうなるのか――っていう話ぐらい想像も付きません。 文系脳の僕には全く以て理解の埒外でした。身の程をわきまえろって事ですね（笑） ともあれ、一般人の雑学レベルぐらいには理解できました。 どうも回答ありがとうございました！