آنتروپی: آنچه زندگی را پیچیده تر می نماید! - ساری فان

آنتروپی معیاری از بی نظمی در عالم است و شرح می دهد چرا با گذشت زمان، عالم بیشتر و بیشتر پیچیده می گردد.

در این مقاله قصد داریم این مفهوم اساسی را شرح دهیم و معنای آن در دنیای علم را مطالعه کنیم.

مروری بر ترمودینامیک

ترمودینامیک یکی از علوم اساسی و دانش های بنیادی بشر است که در آن رفتار ماده تحت فشار ها و دما های مختلف مورد مطالعه قرار می گیرد. ترمودینامیک برای رشته های مختلف علمی از مهندسی تا علوم طبیعی و شیمی و حتی فیزیک و اقتصاد نیز مهم است.

در ترمودینامیک قوانینی بنیادی وجود دارد که با آزمایش های متعدد پذیرفته شده اند. این قوانین عبارتند از:

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک مربوط به بقای انرژی است: انرژی نه فراوری می گردد و نه از بین می رود بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می گردد. پس انرژی همواره درحال تغییر شکل است. انرژی گرمایی خورشید تبدیل به انرژی شیمیایی گیاه می گردد، انرژی باد به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد و غیره. پس می توان از این قانون نتیجه گرفت میزان انرژی خالص موجود در دنیا ثابت است.

قانون دوم ترمودینامیک به آنتروپی اشاره دارد و بیان می نماید: هرچه در زمان جلو می رویم، آنتروپی خالص یک سیستم بسته (منزوی) افزایش می یابد و یا ثابت می ماند.

سیستم بسته به سیستمی گفته می گردد که ورود و خروج انرژی در آن رخ نمی دهد و تمام رخداد های فیزیکی آن محصور به محیط درونی است. در علم ترمودینامیک آنتروپی همواره کمیتی مثبت است. اما آنتروپی چیست؟

مفهوم آنتروپی

کلمه آنتروپی از زبان یونانی آمده است و به معنای دگرگونی و هرج و مرج است. کشف این مفهوم به رودولف کلازیوس، ریاضی دان و فیزیک دان آلمانی نسبت داده شده است، اما نقل شده است مهندس جوان دیگری با نام سعدی کارنو که فرانسوی بود، به صورت مستقل با درنظر گرفتن مفهوم بازده نگاهی به مفهوم آنتروپی نیز داشته است.

کلازیوس درحقیقت فرآیند تبدیل گرما به کار را مطالعه می کرد. او در مطالعات خود دریافت گرما از جسمی در دمای بالا به جسمی در دمای پایین انتقال می یابد. این جریان یک طرفه است و اگر بخواهیم گرما از جسم با دمای کمتر به جسم با دمای بیشتر منتقل گردد، باید روی آن کار انجام دهیم. یک فنجان قهوه داغ را درنظر بگیرید. هنگامی که فنجان را در محیط اتاق قرار می دهید، گرما از آن به داخل اتاق جریان می یابد، زیرا اتاق دمای کمتری دارد و در قیاس با فنجان قهوه جسم سرد است. اما اگر بخواهیم فنجان قهوه را گرم تر کنیم، باید به آن گرما بدهیم - به عبارت دیگر روی آن کار انجام دهیم. در این حالت احتیاج به یک منبع انرژی داریم.

این ایده بیان قانون دوم ترمودینامیک از زبان کلازیوس است: هیچگاه گرما به خودی خود از جسمی با دمای پایین تر به جسمی با دمای بالاتر منتقل نمی گردد.

کلازیوس بعلاوه دریافت سیستم ها تمام انرژی دریافتی را به کار تبدیل نمی نمایند، بلکه میزانی از آن همواره به عنوان مالیات طبیعت گرفته می گردد. به عبارت دیگر، می توان گفت بازده هیچ سیستم فیزیکی صد درصد نیست. دانشمندان پس از مطرح شدت این ایده پرسیدند پس بقیه گرما و انرژی کجا می رود؟ کلازیوس درنهایت پیروز شد با درنظر گرفتن یک موتور بخار ثابت کند همواره بخشی از انرژی ورودی به کار تبدیل می گردد و بعضی به صورت جریان هدر رفت وارد طبیعت می گردد.

پس از آن، مفهوم آنتروپی به عنوان معیاری از بی نظمی در عالم (سیستم های برگشت ناپذیر) مطرح شد که اثر نهایی آن همواره در عالم باقی می ماند. کلازیوس آنتروپی را با S نشان داد و آن را کمیتی همواره مثبت درنظر گرفت.

بدین ترتیب، دانشمندان پیروز شدند ثابت نمایند رخداد های طبیعت همواره در جهت افزایش بی نظمی پیش می روند پس آنتروپی کمیتی همواره مثبت است. درحقیقت آنتروپی میزان انرژی در یک سیستم است که به کار مفید تبدیل نشده و به صورت انرژی در طبیعت آزاد می گردد تا سبب افزایش اختلالات گردد.

با در نظر گرفتن آنتروپی به عنوان مفهوم بی نظمی، می توان گفت همواره بی نظمی عالم در حال افزایش است. آنتروپی را می توان هم در سطح میکروسکوپی و هم در سطح ماکروسکوپی تعریف کرد. در هر یک از این ابعاد، اختلالات عالم با گذشت زمان افزایش می یابد، انرژی در سطح سیستم ها پراکنده می گردد و نهایتا هرج و مرج در سیستم افزایش می یابد. در علم، هرچیزی که بی نظم تر باشد را آنتروپیک تر در نظر می گیرند.

کلازیوس در مراحل بعدی مطالعات خود دو مفهوم جریان برگشت پذیر و جریان برگشت ناپذیر را عنوان کرد. در جریان های برگشت پذیر تغییرات یک سیستم دوطرفه هستند و سیستم می تواند با صرف همان میزان انرژی به حالت اولیه خود بازگردد، اما در سیستم های برگشت ناپذیر هیچگاه سیستم مجددا در حالت اولیه قرار نمی گیرد، مگر با صرف انرژی بیشتر. علاوه بر این، در سیستم های برگشت ناپذیر همواره یک نتیجه غیرقابل حذف به عنوان اثر دائمی باقی می ماند.

این درحالی است که کلازیوس نشان داد انرژی عالم ثابت است و این اثر دائمی همان آنتروپی است که همواره افزایش می یابد. همین امر سبب می گردد بتوان گذشته را از آینده متمایز کرد.

استیون هاوکینگ، فیزیک دان انگلیسی باور دارد آنتروپی از معدود مفاهیمی است که می توان آن را شاهدی برای وجود زمان دانست. به عبارت دیگر آن را می توان به جهت پیشروی زمان مرتبط کرد که تنها یک جهت دارد و همواره رو به جلو است. هرچه در زمان به جلو می رویم آنتروپی افزایش می یابد و این یک فرآیند غیرقابل برگشت است.

این نکته را در نظر داشته باشید که گاهی ممکن است آنتروپی به صورت موضعی و یا موقت در بخشی از یک سیستم بزرگ کاهش یابد. اما این اصلا به معنای نقض قانون مذکور نیست. حتی اگر شاهد کاهش آنتروپی به صورت موقت یا موضعی باشیم، باز هم درنهایت می بینیم آنتروپی سیستم در کل افزایش یافته است.

بهتر است بگوییم آنتروپی یک مدل ذهنی مهم است، زیرا در هر بخش از زندگی ما کاربرد دارد. این مفهوم اجتناب ناپذیر است و حتی اگر بخواهیم آن را نادیده بگیریم، نتیجه چیزی جز فروپاشی نخواهد بود. درک واقعی آنتروپی منجر به تغییر اساسی در نگرش ما به دنیا می گردد. از آنجا که آنتروپی معیاری از بی نظمی در عالم است و بر تمام جنبه های زندگی ما تاثیر می گذارد، دانشمندان عقیده دارند می توان آنتروپی را به عنوان مالیات طبیعت از انسان در نظر گرفت.

همزمانی که شما درحال خواندن این مقاله هستید، آنتروپی در اطراف شما درحال افزایش است. سلول های بدن شما درحال انحطاط هستند، زمین درحال آلوده تر شدن است و گرمای قهوه تان نیز در عالم پخش می گردد که همگی منجر به افزایش بی نظمی در عالم می گردد.

منبع: دیجیاتو