Локальное уменьшение энтропии, нужна ли жизнь?

Универсальная энтропия может уменьшаться только локально за счет большего увеличения в другом месте.

Может ли это происходить в безжизненной среде или для этого обязательно нужны живые организмы?

Может ли это происходить спонтанно или это должен быть преднамеренно организованный процесс, как сборка холодильника?

Мое предположение состоит в том, что вам нужно приложить целенаправленные усилия для локального уменьшения энтропии. Вам нужно затратить энергию, чтобы создать разницу в плотности энергии, и у вас должна быть причина, по которой вы это делаете. Живые организмы используют энергию для создания и поддержания своего внутреннего порядка с целью выживания. Неживая материя не имеет причин что-либо делать. Причинные неуправляемые процессы всегда идут в сторону большей энтропии.

Этот вопрос как бы входит в серую зону между физикой и философией. Требует ли локальное уменьшение энтропии преднамеренного контроля над ходом событий?

Насколько локален локален?
В системе с максимальной энтропией любое возмущение обязательно приводит к усилению локального порядка.
ИМХО очень хороший вопрос. У меня нет времени, чтобы написать хороший ответ, но релевантным поисковым термином является «диссипативные структуры».
Судя по вашим комментариям к другим ответам, похоже, вы спрашиваете о глобальном уменьшении, а не о локальном уменьшении.
Первое предположение, которое может быть оспорено в этом вопросе, состоит в том, что жизнь уменьшает энтропию . Вот ответ на тот самый вопрос, который я считаю особенно убедительным: physics.stackexchange.com/a/450742/311469 . Лучше задать вопрос: «Какие системы способны внутренне уменьшать энтропию?» из которых я сомневаюсь, что жизнь была бы одной. Поскольку работа требует увеличения энтропии, я предполагаю, что система способна производить отрицательную работу.
Термины «локальный», «расход энергии», «энтропия» и «глобально» кажутся нечеткими в этом вопросе. Вы имеете в виду физическое определение «локальной» и «энтропии»? «Потратить энергию» явно не может использовать физический смысл, если только вы не имеете в виду преобразование энергии в массу покоя или не говорите о повышении энтропии энергии. Вы используете «плотность энергии», что… может быть попыткой говорить о низкой энтропии?
В моем вопросе нет ничего туманного. Причинные процессы всегда увеличивают энтропию. Случайный шум вводится в систему в каждом отдельном квантовом событии. Так мне сказали. Если это так, то только некаузальные процессы могут уменьшать энтропию. Я не знаю никаких других не причинных процессов, кроме жизни. - Это параллельно с энтропией Шеннона, где шум увеличивает энтропию, а сигнал уменьшает ее. Я ищу «сигнал» термодинамической энтропии.

Ответы (3)

Для этого не нужна жизнь. Все, что вам нужно, это чтобы тепло утекало от местного региона. Он унесет с собой энтропию. Пример: сделать себе чашку кофе. Поставьте чашку на стол и подождите, пока она остынет. Энтропия чашки кофе падает (а энтропия окружающего воздуха увеличивается).

Также, например, охлаждение лавы, которое вообще не связано с жизнью.
Предпосылкой является то, что локальная энтропия должна быть выше, чем окружающая. Энтропия — эмерджентное качество систем с неравномерным возбуждением, параллельное плавучести.
Я спрашиваю о ситуации, когда локальная энтропия ниже , чем окружающая, дальше от равновесия. Самопроизвольное охлаждение увеличивает энтропию за счет более равномерного распределения энергии.
@PerttiRuismäki хорошо, но не могли бы вы быть более точным? В равновесии уравнивается температура, а не энтропия (ни плотность энтропии). Температуру можно понизить, например, путем испарения или химической реакции.
@PerttiRuismäki - ну, а как насчет примера охлаждения лавы, упомянутого Мацеем Пехотка? Рассмотрим небольшую (воображаемую) локальную область с центром вокруг растущего кристалла (лава кристаллизуется в горную породу); эта область имеет более низкую энтропию, чем окружающая среда (которая представляет собой горячий суп из расплавленной породы), и ее энтропия уменьшается по мере роста кристалла. Просто выбранный локальный регион не является изолированной системой; жизнь — это просто еще один (хотя и гораздо более сложный) пример локализованной системы, которая не изолирована.
@FilipMilovanovic Энтропия обширна, поэтому любая достаточно маленькая вещь должна иметь более низкую энтропию, чем другие более крупные вещи. Так что, я думаю, вы имеете в виду энтропию на единицу объема или на единицу массы или что-то в этом роде.
@AndrewSteane Я полагаю, что да (я пытался удовлетворить требование OP о том, что «локальная энтропия ниже, чем окружающее [ing] s», поэтому энтропия на единицу объема соответствует этому) - но это больше в стороне, моя точка зрения была о локальном уменьшении.

Это происходит около 50 раз в секунду в любом двигателе внутреннего сгорания, в том числе и в автомобилях. Без жизни. Жизнь не имеет особого смысла в термодинамическом смысле.

Но вам нужна жизнь, чтобы построить двигатель. Кроме того, уменьшает ли двигатель локальную энтропию? Я понимаю, что это холодильник, но я не уверен насчет двигателя.
@PerttiRuismäki Да, в 4-фазном двигателе, по крайней мере, в 1 фазе локальная энтропия уменьшается. Да, для создания двигателя ДВС требовалась жизнь.
Локальное понижение энтропии на самом деле не редкость, оно происходит всегда, если среда остывает без других значимых процессов. Это может произойти в любое время.
Afaik, самопроизвольное охлаждение - это процесс увеличения энтропии, поскольку энергия распределяется более равномерно в направлении равновесия. Холодильник наоборот, он использует энергию для передачи энергии от более холодного внутри к более теплому снаружи, увеличивая разницу температур.
Если Вселенная действительно бесконечна и в основном случайна, то где-то там космические камни чисто случайно объединились в двигатель внутреннего сгорания размером с планету. Черт возьми, в этих условиях, где-то там, Ford Mustang 1965 года материализовался из квантовых флуктуаций.
@PerttiRuismäki Количество микросостояний уменьшается в зависимости от температуры.
@ user253751 Это случайное микроколебание вокруг равновесного состояния. Термодинамика изучает макросостояние системы. Есть мысленные эксперименты пограничной философии о том, что Вселенная может быть большой квантовой флуктуацией, и есть еще более жесткие идеи .
@peterh По мере того, как общая энергия уменьшается на температуру, также уменьшается количество энергии, доступной для работы. Этот факт противоречит другому факту, что уменьшение энтропии требует введения энергии. Что мне здесь не хватает?
@PerttiRuismäki Я думаю, что энтальпия и тому подобное здесь только усложняют ситуацию. Но, вероятно, вы можете вычислить это, подставив вещи в формулы. Я думаю, будет лучше, если вы будете мыслить в статистической термодинамической формулировке .

Когда что-то горячее остывает, оно локально теряет энтропию, а окружающая среда приобретает ее.

Когда животное ест пищу и выделяет тепло и продукты жизнедеятельности, оно локально теряет энтропию, а окружающая среда приобретает ее. Пища превращается в отходы с более высокой энтропией, а извлекаемая низкоэнтропийная энергия используется для поддержания жизни животного.

Когда двигатель внутреннего сгорания сжигает топливо, он локально теряет энтропию, а окружающая среда приобретает ее. Топливо с низкой энтропией преобразуется в полезную работу с низкой энтропией, и выбрасываются побочные продукты с более высокой энтропией.

Все формы «снижения энтропии» требуют выброса высокоэнтропийных «отходов». Чтобы локально уменьшить энтропию, вам нужно добавить низкую энтропию и преобразовать ее в отходы.

Лава течет в океан. У него много тепла (энтропии), которое он отдает воде, производя пар (холодная вода — низкоэнтропийный вход, пар — высокоэнтропийные отходы).

Initial  <-- low entropy input
System   --> high entropy waste
 \/        
Lower entropy system

Я подозреваю, что вышесказанное - это то, к чему вы клоните. Жизнь имеет тенденцию делать вышеперечисленное много.

Хитрость заключается в том, что передача энтропии от низкоэнтропийного входа к высокоэнтропийным отходам больше, чем снижение энтропии самой системы.

Затем игра превращается в определение того, что является входом, что является отходом и что представляет собой система.

Жизнь и наши изобретения, как правило, имеют четкую «систему» ​​макросостояний, о которой можно говорить. Но то же самое может происходить и на молекулярном уровне.

Если у вас есть какая-либо химическая реакция с двумя компонентами A и B и двумя выходами C и D, такая, что C имеет более низкую энтропию, чем A, она подходит. Чтобы быть узнаваемой, реакция также должна была бы вызвать разделение C и D (например, один становится газом, а другой нет).

Мое понимание энтропии состоит в том, что при высокой энтропии энергия распределяется равномерно, а при низкой энтропии энергия находится в виде сгустков разной плотности. Поэтому течение лавы в океане кажется процессом повышения энтропии. Энергия распределяется более равномерно, лава остывает, а океан прогревается.
@pertti Во всех процессах вход становится выше. На практике не существует процесса , при котором энтропия не возрастает. Если объединить лавовую и водную системы, вход пойдет вверх; если просто посмотреть на лаву локально, вход идет вниз; холодная вода - низкоэнтропийная "пища", пар - высокоэнтропийный "отход". Когда я ем, я ем пищу, а затем выделяю тепло и более высокую энтропию какашек. Если вы возьмете систему (я+еда)->(я+фекалии+отработанное тепло), энтропия увеличилась. Так же, как лава.
Растения посредством фотосинтеза поглощают свет с низкой энтропией, углекислый газ и воду и производят углеродные сахара с более низкой энтропией и отработанное тепло. Система приобретает энтропию; но один из побочных продуктов (углеродные сахара) является более низким входом, чем один из входов (CO2 и вода). Это уравновешивается пищей (солнечный свет с низкой энтропией) и отходами (тепло).
При остывании лавы количество доступной для работы энергии не увеличивается. Разность температур не увеличивается, тепло только рассеивается и не преобразуется в другие формы энергии. При фотосинтезе часть солнечной энергии превращается в химическую энергию.
@PerttiRuismäki Как я уже говорил в своем комментарии к вашему вопросу, похоже, вы на самом деле спрашиваете о глобальных изменениях энтропии, а не о локальных.
@PerttiRuismäki Нет, общая энергия, доступная для работы, уменьшается в результате фотосинтеза? Суммарная энтропия возрастает. Суммарная энтропия всегда увеличивается . Жизнь этого не меняет. Много тепла преобразуется в другие формы энергии — оно превращает воду в пар, который не является теплом. Лава затвердевает: опять же, не тепло. Назначая «пища», «отходы» и «система» произвольным подмножествам до/после, вы можете впоследствии иметь некоторую подсистему с меньшей энтропией; но общая энтропия увеличилась.
@Yakk Конечно, общая энтропия всегда увеличивается. Я говорю об энтропии локальной подсистемы. Горячая лава в прохладном океане — это низкоэнтропийная система. Есть перепады температур, доступная энергия для работы. Прохладная лава в чуть более теплом океане представляет собой систему с более высокой энтропией. Нет разницы температур, нет энергии для работы. - Растение растет. Все больше и больше атомов организуются, чтобы построить завод. Энергия преобразуется в химическую энергию, которая позже доступна для работы. Энтропия системы «растение-окружение» уменьшается.
Локальное уменьшение энтропии, нужна ли жизнь?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v