الانتروبي هو قياس
الفوضى في النظام .
ما هي الانتروبي
الإنتروبي هي مقياس الاضطراب الوظيفي في النظام، وهي خاصية واسعة النطاق في النظام الحراري الديناميكي، وهذا يعني أن قيمتها تتغير باختلاف كمية المادة الموجودة، ويتم تمثيلها عادة بالرمز S في المعادلات ويتم قياسها بالجول لكل كلفن (JK1) أو kgm2s2K1، وتعد الإنتروبي مصطلحا رئيسيا في الفيزياء والكيمياء، ويمكن أيضا تطبيقها في مجالات أخرى مثل علم الكون والاقتصاد، وتعد جزءا من جوانب الديناميكا الحرارية في الفيزياء، كما أنها فكرة أساسية في الكيمياء الفيزيائية.
بغض النظر عن الوصف العام، هناك العديد من المعاني الأخرى المتاحة لهذا الموضوع، لا ننظر إلى الخصائص الدقيقة للنظام عند النظر إلى الإنتروبيا من منظور الديناميكا الحرارية. ومن ناحية أخرى، يتم استخدام الإنتروبيا لوصف سلوك النظام من خلال المعلمات الديناميكية الحرارية مثل درجة الحرارة والضغط والانتروبيا والسعة الحرارية، ويتم احتساب حالة توازن الأنظمة في هذا الوصف الديناميكي الحراري.
وفي الوقت نفسه، تركز التعريف الإحصائي لاحقا على الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام، والتي تم وصفها بوصفها إحصائيات لحركات الجزيئات في النظام، حيث تعد انتروبيا الجزيء مقياسا لعدم تنظيمها.
التفسيرات الشائعة الاخرى للانتروبي
- عندما يتعلّق الأمر بالفيزياء الإحصائية الكمومية، استخدم فون نيومان مصفوفة الكثافة لتوسيع مفهوم الإنتروبي إلى عالم الكم.
- يستخدم هذا المقياس لتقييم كفاءة النظام في إرسال الإشارات وتجنب فقدان المعلومات في الإشارة المرسلة، وذلك في سياق نظرية المعلومات.
- عندما يتعلق الأمر بالأنظمة الديناميكية، فإن الإنتروبي تشير إلى التعقيد المتزايد للنظام، كما يتم حساب متوسط تدفق المعلومات لكل وحدة زمنية.
- تُعرَّف الانتروبي في علم الاجتماع على أنه التدهور الاجتماعي أو الانحلال الطبيعي للبنية الاجتماعية، مثل القوانين والتنظيمات والاتفاقيات، في النظام الاجتماعي.
- تُستخدم مصطلح الانتروبي في علم الكونيات لوصف ميل الكون المفترض للوصول إلى أقصى حالة تنظيم، حيث يُحدد أن المادة تبقى عند درجة حرارة ثابتة.
على الرغم من ذلك، فإن مصطلح الإنتروبي يستخدم الآن في مجالات متعددة بخلاف الفيزياء والرياضيات، ويجب أن نلاحظ أنه فقد طبيعته الكمية الصارمة.
خصائص الانتروبي
- إنها إحدى وظائف الديناميكا الحرارية.
- من وظائف الدولة، بعد كل شيء، تحديد حالة النظام بدلاً من المسار المتبع.
- يشار إلى هذا الشيء بالحرف S، رغم أنه في الحالة القياسية يشار إليه بالحرف S°.
- J / Kmol هي وحدة SI الخاصة بها.
- Cal / Kmol هي وحدة CGS.
- تعتبر خاصية Entropy قابلة للتطوير، حيث تزداد معحجم النظام أو نطاقه.
– يتزايد مستوى الانتروبيا في النظام المعزول كلما زاد الاضطراب، وهذا يحدث عندما تتحلل المواد المتفاعلة إلى مزيد من المنتجات خلال العمليات الكيميائية، وتزيد الانتروبيا في النظام الذي يصعب التنبؤ به عند درجات الحرارة العالية بالمقارنة بالنظام ذي درجة حرارة منخفضة.
تطبيقات الانتروبي في النظم الحرارية
تُعَدُّ قوانين الديناميكا الحرارية من أهم تطبيقات الانتروبي في الأنظمة الحرارية على النحو التالي:
- القانون الأول للديناميكا الحرارية
يؤكد هذا المفهوم أنه نظرًا لأن الحرارة تعتبر نوعًا من الطاقة، فإن العمليات الحرارية الديناميكية تتبع مبدأ الحفاظ على الطاقة، ولايمكن إنشاء أو تدمير الطاقة الحرارية بهذه الطريقة، ومع ذلك، يمكن نقلها من مكان إلى آخر وتحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة كما يلي
- – عندما يتحول المادة الصلبة إلى سائل، والسائل يتحول إلى غاز، يزداد الانتروبيا.
- عندما يتجاوز عدد مولات المنتجات الغازية عدد المواد المتفاعلة، يزداد درجة الفوضى في النظام.
هناك بعض الأشياء حول الإنتروبي التي تتحدى التوقعات، وهي كالتالي
تحتوي البيضة غير المسلوقة على مستوى أعلى من الإنتروبيا مقارنة بالبيضة المسلوقة، وذلك بسبب تشوه الهيكل الثانوي للبروتين في الألبومين، حيث يتحول التركيب الحلزوني للبروتين إلى شكل ملفوف عشوائي.
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يتضمن القانون الثاني للديناميكا الحرارية العديد من التعريفات التي تستند إلى مفاهيم الانتروبي والعفوية
- – بالنسبة للديناميكية الحرارية، فإن جميع العمليات العفوية التي تحدث بشكل طبيعي لا يمكن عكسها.
- يمكن إعادة صياغة الجملة كالتالي: “من الناحية الديناميكية الحرارية، لا يمكن نقل الحرارة بالكامل إلى العمل دون إهدار قدر معين من الطاقة.
إن إنتروبي الكون تتوسع دائمًا. - يكون التغيير في الكون كله إيجابيًا دائمًا، حيث يكون إنتروبي النظام وإنتروبي المحيط الذي يحيط به أكبر من الصفر.
∆Stotal =∆Ssurroundings+∆Ssystem >0
- القانون الثالث للديناميكا الحرارية
عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، تقترب إنتروبيا أي مادة بلورية من الصفر، ذلك لأن البلورة عند الصفر المطلق لها ترتيب كامل، وحقيقة أن العديد من المواد لا تحتوي على إنتروبيا صفرية عند الصفر المطلق هي تقييد لهذه المعادلة، كصلبة زجاجية، وصلبة تحتوي على مزيج من النظائر.
تطبيق على الانتروبي من حياتنا اليومية
عندما تزيد الإنتروبيا، يصعب تحويل بعض الحرارة إلى عمل، وأحد الأمثلة البسيطة على ذلك هو خلط الماء البارد والساخن، حيث تزيد الإنتروبيا. ثم يتم تسخين الماء لدرجة أنه لا يمكن تمييزه بين طبقات ساخنة وباردة، ورغم عدم فقد الطاقة، يتعذر تحويل بعضها إلى عمل. وبسبب ارتفاع الإنتروبيا، تتدهور الطاقة من مستوى أعلى يمكن من خلاله استخلاص المزيد من العمل إلى مستوى أدنى يمكن فيه القيام بعمل مفيد أقل أو حتى لا يوجد عمل. وبالتالي، ينتقل النظام من حالة أكثر تنظيما إلى حالة أقل تنظيما، مما يؤدي في النهاية إلى تحول الطاقة إلى طاقة حرارية.
الانتروبي والموت الحراري للكون
وفقًا لبعض العلماء، ستصل إنتروبيا الكون إلى مستوى يجعل النظام غير قادر على العمل البناء والتنبؤ، ويعتبر الكون قد مات بسبب الموت الحراري عندما يبقى الطاقة الحرارية فقط.
من ناحية أخرى، يشك علماء آخرون في نظرية الموت الحراري، حيث يجادل البعض بأن الكون ككل يتحرك بعيدًا عن الإنتروبي، حتى أثناء زيادة الإنتروبي داخله، ويرى آخرون الكون كعنصر من مكونات نظام أكبر، كما يجادل آخرون بأنه نظرًا لأن الحالات المحتملة ليس لها احتمالية متساوية، فإن معادلات الانتروبي القياسية غير صالحة.
أمثلة على الانتروبي
- الانتروبي وذوبان الجليد
عندما تذوب كتلة من الجليد، يزداد الإنتروبي، من الواضح أن نرى كيف تتزايد فوضى النظام، حيث يتكون الجليد من جزيئات الماء التي ترتبط ببعضها البعض في شبكة بلورية، عندما يذوب الجليد، تكتسب الجزيئات الطاقة، وتنتشر أكثر، وتفقد البنية، مما ينتج عنه سائل، وبالمثل، فإن التحول من سائل إلى غاز، مثل الماء إلى بخار، يزيد من طاقة النظام.
يمكن حدوث استنفاد للطاقة في حالة تحول البخار إلى ماء أو الماء إلى جليد، لأن المادة ليست في نظام مغلق، ولم يتم كسر القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وبينما يتم التحقيق في إنتروبيا النظام وقد تتناقص، فإن إنتروبيا البيئة تتزايد.
- الانتروبي والوقت
نظرًا لأن المادة في الأنظمة المعزولة تتجه نحو التحول من النظام إلى الفوضى، يطلق عليها أحيانًا مصطلح “الانتروبيا” بوصفها سهم الزمن.