エントロピーとは何なのか教えてください

先日、「エントロピー」という言葉を初めて知りました。授業などを受けている訳ではなく興味本位で自分なりに調べていたのですが、どうしてもモヤモヤするところがあるので何点か質問させてください。
（数式等は初歩の初歩しかわからないので言葉で教えていただけると嬉しいです。）

①例えば、80℃のお湯を室温20℃の部屋に置き、室温と同じ温度になった場合のお湯のエントロピーは増大したか減少したか

②10℃の水を室温20℃の部屋に置き、室温と同じ温度になった場合の水のエントロピーは増大したか減少したか

③　①の変化した後のお湯をそのまま今度は室温10℃の部屋へ置き、室温と同じ温度になった場合のお湯のエントロピーは増大したか減少したか
その後もう一度室温20℃の部屋へ置き、室温と同じ温度になった場合のお湯のエントロピーは増大したか減少したか

④　エントロピーに最大値は存在するのか、それはどういった状態か

⑤絶対零度の時にエントロピーは最小になるという記事(wiki)を見たが、絶対零度の物体は可逆性が高いということなのか

⑥「エントロピーが増大した」というのは何を基準にして増大してるのか
(温度の高い物と低い物が混ざり温度が一定になった場合どちらの持つエントロピーに対して増大したと言うのか？また別のことなのか、　説明が難しい)

　指示が抜けている条件や環境は単に私が理解していない部分なので全て最適な条件のもと成り立ってるとしてください。

私の想像では①、②はどちらも一方通行の変化を起こしたため増大すると思います。しかし③がどちらも増大するとするならばお湯のエントロピーは果てしなく増大するのでしょうか。
また、エントロピーは乱雑さを表すというのもいまいちピンときません。そうであった場合は温度によってエントロピーが決まってしまうのではないですか？
初めは3点ほどの質問だったつもりが書いてるうちにこんなに膨らんでしまいすみませんでした。

よろしくお願いします。

No.4 回答者： head1192 回答日時： 2021/01/22 18:27

「乱雑さ」と訳されるが、「平等さ」「平凡さ」と訳した方が本質をとらえている。

①８０度のお湯は２０度の空気より熱エネルギーを多く持っており、これは「平等さ」に反する。

②③上と同じこと

④エントロピーとはあくまで２つかそれ以上の系を比較した場合の生じる物理量であり、絶対的な存在ではない。
たとえば、同じ８０度のお湯でも、室温５℃に置いた場合と室温８０℃に置いた場合では値は異なる。

⑤そういうわけで可逆性とはダイレクトに関係を持たない。

⑥最初に述べた通り、「平等さ」「平凡さ」が増せば「エントロピーが増大した」ということである。

・「平等さ」については上記のとおりなので「平凡さ」について述べる。
箱があり、仕切りで２つの部屋に分けられている。
その中に１００個のビー玉がある。

片方の部屋だけにビー玉がすべてある場合は１通りしかない。

片方の部屋に９９個ありもう片方に部屋に１個のビー玉がある場合は、その１個が「ビー玉１」で１通り、「ビー玉２」で１通り、「ビー玉３」で１通り、・・・、と１００通りある。

つまり片方の部屋に１個のビー玉がある状態はすべてのビー玉が片方の部屋にある場合に比べ１００倍起こりやすい。

それだけ「平凡」なのである。
つまり「エントロピーが増大」する。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
エントロピーとはあくまで２つかそれ以上の系を比較した場合の生じる物理量であり、絶対的な存在ではない。
可逆性とはダイレクトに関係を持たない。
この言葉のおかげで少し蟠りがとれたような気がします。
乱雑さ＝粒子の運動＝温度ではないんですか。

「平凡さ」という解釈の仕方は面白いですね

お礼日時：2021/01/22 20:44

No.3 回答者： kattun175 回答日時： 2021/01/22 18:04

エントロピーの最大値から説明するのがわかりやすいと思います。

小麦粉を水で溶くところを想像してください。
最初は水の底に小麦粉が沈んでいます。
これがエントロピーの低い状態です。
しっかり混ぜていくと、小麦粉は均等に溶けていき、次第にエントロピーは増加していきます。
ところどころに小麦粉のダマができますが、ここがエントロピーの小さいところです。
さらに混ぜていくと、小麦粉は水と全く均等に混ざり合います。
これでエントロピーは最大になったことになります。

これは小麦粉をいれているボールの中の話ですが、これを宇宙全体で考えて見ます。
全ての物質が宇宙全体に均等に分布したら、かなりエントロピーは大きくなったと言えるでしょう。
ただ、実は物質の元となる粗粒子は、空間に局在するエネルギーです。
いわば、小麦粉のダマのようなものです。
素粒子もエネルギーとして開放し、全空間に均等に分布した時が、エントロピーが最大になったことになります。

①の例では、増加したエントロピーは、お湯のエントロピーだけでなく、お湯と部屋の空気の合計のエントロピーです。
②でもそうです。
③では、10℃の部屋の空気のエントロピーも併せて考える必要があります。
80℃のお湯を室温20℃の部屋に置くと、お湯が20℃の水になるとともに、室温もわずかに上がります。もちろん水も20℃では無く少し高い温度になります。
そこで、20℃の水を10℃の部屋に持っていくと、水は10℃近くになり、室温はわずかに上がります。
これを繰り返していくと二つの部屋と水の温度全てが同じになります。
この時点で、水と二つの部屋全てのエントロピーの総和は最大になります。
この間の操作では、常にエントロピーの総和は増え続けています。

エントロピーを考えている時は、観察対象を明確にする必要があります。
上の例では、水やお湯のエントロピーだけを考えるのでは無く、二つの部屋の空気のエントロピーも併せて考える必要があるのです。
関係性を持っている全てを合わせて、一つの系と言います。
上の例では、水やお湯と二つの部屋の空気で一つの系を作っていることになります。

絶対零度の時に確かにエントロピーは最小です。
エントロピーは常に増加し続けます。
絶対零度の外部の系から温度を受け取ることで、エントロピーが増えます。

温度の高い物と低い物が混ざり温度が一定になった場合、温度の高い物と低い物のあわせた系のエントロピーが増加したことになります。
混ざったわけですので、「どちら」ということも意味は無くなります。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
エントロピーは総量で見るのですね、
とすると物質当たりのエントロピーは存在しないのですか？
エントロピーの絶対量は存在せず、あくまで変化量を示した存在でしかないのでしょうか？
最大値はその比較対象によって取りうる値が違うと。

お礼日時：2021/01/22 18:57

No.2 回答者： isoworld 回答日時： 2021/01/22 17:27

エントロピーは熱力学第二法則から出てきた概念ですよね。

難しいことを言わず、現象面だけでどういうものかを説明しておきます。

その前に…エントロピーは乱雑さを表すというとも言われますが、もっとも安定した（エネルギーの低い）状態（乱雑な、バラバラな状態）に自然になっていく現象です。

たとえば、水は（位置エネルギーの）高いところから低いほうに流れますし、やかんのお湯のように温度の高いものは熱が周りに逃げて冷めていきます。

形のあるものは風化によってバラバラに崩れ、綺麗に整理整頓していた机の上は、やがて乱雑な状態になります。

高い機密性のあった情報でもやがて漏れ広がってみんなが知るとことなり、機密性がゼロになっていきます（エントロピー増大の法則は情報にも当てはまります）。

いわばエネルギー（温度や位置エネルギーなど）が高かったり、形があったり、純度や密度が高かったり、機密性が高かったり…そうしたものがどんどん崩れたり、風化したり、周りに散らばったり....する状況がエントロピー増大の法則です。どこまで増大するかと言えば、自然と行き着くところまでです。

この逆がエントロピーが小さい状態であるわけですが、それには人工の手などを外部から加えないと出来ません（たとえば加熱する、とか）。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
そうなんですよね、概念や概略を調べた段階ではイメージしやすいんですよね
でもこれが具体例を考え出すと訳わかんなくなります。

お礼日時：2021/01/22 17:34

No.1 回答者： cn94 回答日時： 2021/01/22 16:54

＞エントロピーに最大値は存在するのか、それはどういった状態か

するらしい。計算上確率は有限であるから無限ではないらしい。

＞絶対零度の時にエントロピーは最小になるという記事(wiki)を見たが、絶対零度の物体は可逆性が高いということなのか

運動性が０ってこと。

＞「エントロピーが増大した」というのは何を基準にして増大してるのか

物質の運動が時間経過でどのように観測されるか、ですから基準は物質の運動と時間によるものですね

＞また、エントロピーは乱雑さを表すというのもいまいちピンときません

物質の運動のベクトルが不規則って意味さ。たから事象や現象はランダム性を持つ事になり非統一なものになる。それが乱雑という意味。日本語だとちょっとピンとこないかもしれない。

＞温度によってエントロピーが決まってしまうのではないですか？

そうっちゃそう。何故なら温度＝運動だから。

この回答へのお礼

説明下手な私に早速の回答ありがとうございます。
もう少し質問させてください。
乱雑さを表す場合れば温度が高くなるほど増大し、低くなるほど減少しますよね。
私の中では「不可逆性の指標」という認識が強く、例のようにお湯が冷める現象も不可逆変化なのでエントロピーは増大するのではと考えていたのですが
どうでしょうか

または何か混同して認識してしまっているのでしょうか

お礼日時：2021/01/22 17:24