(زمان چیست و چگونه میتوانیم آنرا تعریف کنیم؟ (بخش نهم

انتروپی (Entropy)

انتروپی یک مفهوم اساسی در فیزیک و ترمودینامیک است که به‌ طور کلی به میزان بی ‌نظمی یا تصادفی بودن در یک سیستم اشاره دارد. انتروپی بخصوص در قانون دوم ترمودینامیک جایگاه خاصی دارد، که بیان می‌ کند در یک سیستم بسته، انتروپی به‌ طور طبیعی تمایل به افزایش دارد. این افزایش به این معناست که سیستم ‌های فیزیکی تمایل دارند به سمت حالات بی ‌نظم و تصادفی پیش بروند. انتروپی در اصل معیاری است برای اینکه بدانیم یک سیستم چقدر از نظر میکروسکوپی (در سطح ذرات یا مالیکول ها) بی ‌نظم است. در یک سیستم کاملاً منظم، ذرات یا مولکول ‌ها در ترتیبی خاص و قابل پیش ‌بینی قرار دارند، اما در یک سیستم بی‌ نظم، ذرات یا مولکول ‌ها به‌ طور تصادفی و پراکنده در فضاء قرار می ‌گیرند.
انتروپی به‌ طور عام به معنای میزان تصادفی بودن یا بی ‌نظمی یک سیستم است و در این زمینه با مفهوم نظم در ارتباط است. هرچه انتروپی یک سیستم بیشتر باشد، به این معناست که آن سیستم بی ‌نظم ‌تر است و نمی ‌توان پیش‌ بینی دقیقی از وضعیت اجزای آن داشت.

قانون دوم ترمودینامیک و افزایش انتروپی:

طبق قانون دوم ترمودینامیک، انتروپی یک سیستم در حال تغییر، در جهت افزایش می‌رود. به عبارت دیگر، زمانی که یک سیستم به حالت تعادل می‌ رسد، انتروپی آن سیستم به بالاترین مقدار خود می‌ رسد. این افزایش انتروپی به معنای حرکت سیستم‌ ها از حالت‌های منظم به حالات بی‌ نظم‌ تر است. مثال‌ها:
اگر یک گیلاس یخ را در اتاق بگذارید، یخ ذوب می‌ شود و به آب تبدیل می‌ شود. در ابتدا، مالیکول های یخ در یک ساختار منظم و منسجم قرار دارند (انتروپی پایین)، اما پس از ذوب شدن، مالیکولهای آب به‌ صورت تصادفی‌تر حرکت می‌ کنند (انتروپی بالا).
در یک اتاق بسته، اگر بوی یک عطر را اسپری کنید، بوی عطر به‌ طور یکنواخت در فضاء پخش می‌ شود. در ابتدا، مالیکولهای عطر در یک نقطه متمرکز هستند (انتروپی پایین)، اما به مرور زمان این مالیکولها در فضاءی اتاق پراکنده می‌ شوند و انتروپی افزایش می ‌یابد.
اثر افزایش انتروپی: افزایش انتروپی در سیستم‌ها اثرات مختلفی دارد که در بسیاری از فرآیندهای طبیعی و فیزیکی مشاهده می‌ شود. در زیر برخی از این اثرات را توضیح می‌دهیم:
اتلاف انرژی مفید: وقتی انتروپی یک سیستم افزایش می ‌یابد، به این معنی است که بخشی از انرژی در سیستم به شکل انرژی‌های کمتر مفید یا غیرقابل استفاده در می‌ آید. این همان چیزی است که در اکثر فرآیندهای ترمودینامیکی اتفاق می‌افتد، به‌ طور خاص در موتورهای حرارتی، که بخشی از انرژی به صورت گرما از دست می‌رود و نمی ‌توان آن را برای انجام کار مفید استفاده کرد.
حرکت به سمت تعادل: انتروپی نشان‌دهنده حرکت سیستم‌ ها به سمت وضعیت تعادل است. برای مثال، در یک مخلوط از دو گاز با حرارتهای مختلف، گازها به‌ طور طبیعی به یک حرارتی یکسان خواهند رسید (افزایش انتروپی) تا زمانی که به تعادل حرارتی برسند.
پایان‌پذیری مراحل: با افزایش انتروپی، مراحلی که به‌ طور طبیعی تمایل به انجام دارند، به سمت وضعیت‌ های می‌ روند که کمتر از نظر انرژی قابل استفاده هستند. در این حالت، سیستم‌ ها از وضعیت ‌های دارای انرژی آزاد بیشتر به وضعیت‌های دارای انرژی آزاد کمتر حرکت می‌ کنند. این امر بخصوص در روندهای فیزیکی و کیهان ‌شناسی مانند انفجار بزرگ یا مرگ حرارتی کیهان اهمیت دارد.
کاهش امکان کار مفید: با افزایش انتروپی، سیستم ‌های فیزیکی توان کمتری برای انجام کار مفید دارند. به عبارت دیگر، به مرور زمان، منابع انرژی برای انجام کار مفید از بین می‌ روند. این پدیده در مورد انرژی‌ های حرارتی (که اغلب با انتروپی بالا همراه هستند) صدق می‌ کند.
تغییرات در ساختار و نظم فیزیکی: در سیستم ‌های طبیعی، افزایش انتروپی معمولاً به کاهش نظم و ترتیب سیستم منجر می‌ شود. برای مثال، اگر یک ساختمان در حال فروپاشی باشد، ساختار آن به‌ طور طبیعی به حالت بی ‌نظم و پراکنده (انتروپی بالا) تغییر خواهد کرد. چند مثال از افزایش انتروپی در زندگی روزمره:
یخ در حال ذوب شدن: همان ‌طور که پیشتر گفته شد، زمانی که یخ در یک اتاق گرم قرار می‌ گیرد، به آب تبدیل می‌ شود. در ابتدا، مالیکولهای یخ به‌ طور منظم در ساختار کریستالی خود قرار دارند، اما پس از ذوب شدن، مالیکولهای آب به‌ صورت تصادفی در حرکت هستند و انتروپی افزایش می ‌یابد.
اختلاط دو مایع: وقتی دو مایع با حرارتی متفاوت (مثلاً آب داغ و سرد) با هم ترکیب می‌ شوند، گرما از مایع داغ به مایع سرد منتقل می‌ شود و هر دو به حرارتی یکسان می‌ رسند. در این فرآیند، انتروپی افزایش می ‌یابد.
پخش بوی عطر: وقتی عطر در یک اتاق اسپری می‌ شود، مالیکولهای آن به‌ طور تصادفی در فضاء پخش می‌ شوند تا به‌ طور یکنواخت در محیط اتاق پراکنده شوند. این افزایش در پراکندگی مالیکولها نشان ‌دهنده افزایش انتروپی است.
انتروپی در واقع معیاری برای بی ‌نظمی و تصادفی بودن است و در قوانین ترمودینامیک خاصتاٍ در قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌ شود که انتروپی در یک سیستم بسته همیشه تمایل به افزایش دارد. این افزایش انتروپی نشان‌ دهنده حرکت سیستم‌ ها از حالات منظم به بی ‌نظم‌ تر و از وضعیت‌ های با انرژی آزاد بیشتر به وضعیت‌ های با انرژی آزاد کمتر است. این روند در بسیاری از پدیده ‌های فیزیکی و طبیعی مشاهده می‌ شود و اثرات آن شامل اتلاف انرژی، حرکت به سمت تعادل، و کاهش توان انجام کار مفید است.

ادامه دارد…

حق چاپ ونشر این مقاله محفوظ است در صورت استفاده از آن باید نام داکتر صالحه واهب واصل و لینک منبع ذکر شود.

فهرست منابع مورد استفاده در نگارش این مقاله در بخش آخری آورده شده است.