سرشت علم(۸): آنتروپی یا هرزِش

پنج شنبه, ۱۱ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی هشتم:

آنتروپی یا هرزِش[۱]

مَبحثِ قانون دُوم ترمودینامیک تا اینجا بر کارکردِ انرژیِ گرمایشی  متمرکز بوده است: یعنی ‌براینکه گرما به نحوی خودانگیخته از اجسامِ گرمتر به اجسامِ سردتر گردش می­یابد و اینکه هیچ موتوری ممکن نیست که راندمان  و بازدهی ۱۰۰% داشته باشد. علیرغمِ این ایده­ها، قانون دوم به مفاهیمی فراتر از مفهومِ گرما نیز مربوط می­شود. در شکلِ کلی­تر خود، قانونِ دوم گزاره­ای بر مفهوم وضعیتِ منظم گیتی [۲]  هم هست[۳].

تمامِ سیستم‌ها در گیتی در طولِ زمان گرایشی کلی‌ به سوی بی­نظمی[۴]  دارند. آزمون‌هایِ بسیاری برای مطالعه­ی این پدیده می­توان داشت.

  • برای نمونه یک دست ورقِ بازیِ منظم را بُر بزنید و کاملا نامنظم می­شود و بر عکسِ آن هرگز اتفاق نمی‌‌افتد.
  • ظرفی از لایه‌هایِ منظمِ تیله را تکان دهید و تیله‌ها کاملا درهم می­شوند و بر عکسِ آن هرگز اتفاق نمی‌‌افتد.
  • نمونه‌های بالا شباهت به وضعیتی دارد که بر اجسامِ گرم و سرد، هنگامیکه در تماسِ با یکدیگر قرار می­گیرند، اتفاق می‌افتد. انرژیِ گرمایی موادِ گرم­تر بتدریج بسویِ جسمِ سردتر پخش می­شود.
  • در هریک از مواردِ اشاره شده بازگشتِ به وضعیتِ نخستین[۵] عملی‌ است اما زمان و کار و انرژی می‌طلبد.

در سالِ ۱۸۶۵ فیزیکدانِ آلمانی رودلف کلاسیوس[۶]  (۱۸۲۲-۱۸۸۸) مفهومِ آنتروپی یا هرزِش را نخستین­بار برای گرایشِ سیستم‌هایِ طبیعی به بی­نظمی (هرز رفتگی) مطرح کرد.

  • او در سال ۱۸۵۰ نظریاتِ کارنو و ژول و دیگران را در موردِ ترمودینامیک جمع‌آوری نمود و به شکلی‌ بسیار جامع به چاپ رساند اگرچه قانونِ دوم در کتابِ او به شکل محاسباتِ ریاضی‌ ارائه داده نشد.
  • کلاسیوس دریافته بود که برایِ اینکه قانونِ دوم به نحوی کیفی سودمند[۷] باشد نیاز به متغیری نوین و پیچیده­تر داشت – هرزش. او آنتروپی یا هرزش را مشخصا با مقولاتِ گرما و دما یا درجه­یِ گرما  تعریف نمود: آنتروپی یا هرزش به تعریفِ او نسبت انرژیِ گرمایی به دما یا درجه­ی حرارت بود.
  • کلاسیوس با مشاهده کارکردِ ماشینِ بخار به این نتیجه رسید که آن نسبت (یعنی‌ نسبتِ انرژیِ گرمایی بر درجه­ی حرارت) می‌باید یا همواره ثابت بماند و یا رو به افزایش بگذارد – یعنی‌ اینکه گرما تقسیم بر درجه­ی حرارتِ منبعِ سرد، همواره مساوی یا بیشتر از نسبتِ گرما تقسیم بر درجه­ی حرارتِ منبعِ گرم است (یا گرما تقسیم بر کار) و نتیجتاً آنتروپی یا هرزش سیستم‌ها کاهش نمی­یابد.
  • خلاصه اینکه قانونِ اول ترمودینامیک می‌گوید انرژی همواره ثابت است اما آنتروپی یا هرزش گرایش به افزایش دارد (قانون دوم. )

البته ما می­توانیم به شیوه­ی شهودیِ دیگری هم به پدیده­ی آنتروپی یا هرزش بنگریم . یعنی‌ اینکه ما می­توانیم انرژیِ گرمایشی را در وجه انرژیِ جنبشی اتم‌های در حالِ ارتعاش [۸]  بنگریم.

گرما پخش می­شود بدلیل اینکه اتم‌هایِ سریع­تر با انرژی جنبشی بیشتر، با اتم‌های آهسته­تر برخورد کرده تا اینکه بالاخره انرژیِ جنبشیِ اتم‌ها به میانگینی می­رسد.

  • در نهایت، نظمِ هر سیستمی‌ را از طریقِ چیدمانِ منظم[۹]  کوچک‌ترین بخش‌های آن – اتم‌ها – می­توان اندازه­گیری کرد. برای نمونه کریستالِ دانه­ی نمک چیدمانِ بسیار منظم و تکرار شده­ی اتم‌های کلر و سدیم است. ذغال هم همینطور، که توزیعِ منظم و پر انرژی حلقه‌های اتمیِ ‌کربن به کربن است.
  • با حلِ نمک در آب و یا سوزاندنِ ذغال، انرژی اتم‌های منظم آنها آزاد شده و بی­نظمیِ اتم‌ها – یعنی‌ آنتروپی یا هرزشِ آنها – افزایش می­یابد.

ما همچنین می­توانیم به “چیدمانِ” اتم‌ها به مثابه توزیعِ محتمل سرعتِ ذرات[۱۰]  در گاز‌ها بنگریم – یعنی‌ به مثابه درجه­ی حرارت­شان. هنگامیکه دو منبعِ گاز را با درجه­ی حرارت‌های متفاوت با یکدیگر مخلوط کنیم، درجه­ی حرارت­شان به میانگینی رسیده، آنتروپی یا هرزشِ آنها افزایش می­یابد.

  • فیزیکدانِ آلمانی لودویگ بولتزمان[۱۱]  (۱۸۴۴-۱۹۰۶) با استفاده از نظریه­یِ احتمالات[۱۲]  و مطالعه­ی چیدمان اتم‌ها در گاز‌هایی‌ با درجاتِ حرارتِ متفاوت این تعریف از آنتروپی یا هرزش را در گاز‌ها به اثبات رساند. او ارتباطِ محاسباتی و احتمالاتیِ‌ چیدمان‌ها  و آنتروپی یا هرزش را در گاز‌ها نشان داد.[۱۳]

پیامد‌هایِ قانونِ دومِ ترمودینامیک بسیار هستند.

  • یکی‌ از پیامد‌ها این است که گرما در گیتی[۱۴] می‌باید نهایتا به نحوی همگون پخش شود. زندگی‌ بر رویِ کره­ی زمین امکانپذیر است زیرا که از سویی خورشید منبعِ انرژی­ای دایمی­ست  و هم اینکه زمین منبعِ عظیمِ گرمایی­ای  درونی‌ دارد.
  • در سال ۱۸۹۰ پژوهشگرانِ بسیاری مساله­ی  “مرگِ حرارتی[۱۵]” گیتی را مطرح ساختند.
  • گرایشِ دایمی سیستم‌ها به افزایشِ هرزشی، برداشتِ ما از مسیر زمان را هم به چالش می‌کشد، اگرچه در دنیایِ واقعی‌ تصورِ بازگشتِ زمان‌ غیرممکن به نظر می‌رسد[۱۶].
  • همه­ی موجوداتِ زنده نیز باید قانونِ دومِ ترمودینامیک را رعایت کنند که ما را به نظریه­ی سطوحِ تغذیه[۱۷]  برای تامینِ انرژی و بقا می‌رساند.
  • هر ارگانیسمی برای دسترسی‌ به عرضه­ی محدودِ انرژی در رقابت است. گیاهان در سطحِ نخست، انرژیِ خود را مستقیماً از خورشید می­گیرند. گیاه­خوار‌ها در سطحِ دوم، انرژی خود را از گیاهان می­گیرند. قانونِ دوم توضیح می­دهد که چرا گوشت­خوارانِ بزرگ در سطحِ سوم، جمعیتِ کمتری‌ دارند.

اغلب آفرینش­باورها [۱۸] قانونِ دوم ترمودینامیک موردِ استفاده قرار می‌دهند تا ثابت کنند که زندگیِ‌ (بیولوژیک) امکانِ ظهور از غیرزندگی‌ ندارد.[۱۹]

  • موجوداتِ زنده سیستم‌هایی فوق­العاده منظم هستند و خودانگیخته بوجود نیامده­اند و مسیری تاریخی داشته­اند. یعنی نخست تکاملِ شیمیایی و سپس تکاملِ بیولوژیک داشته­اند.
  • سیستم‌هایِ زنده­ی محلی­ای بسیار منظم، هر روزه در حالِ بوجودآمدن هستند. با رشدِ هر گیاهی جدید، سیستمِ بسیار بسیار منظمی از سلول‌ها شکل می­گیرد.
  • دانشمندان حوزه­ی علم در اغلب موارد ‌هنوز به نحو و شکلی‌ کامل به توضیحِ گرایش برای بوجودآمدنِ زندگی‌ – یعنی توضیحِ کاملِ سیستم‌هایِ بسیار منظم و پیچیده­ی محلی – که هر روزه پیش روی ما هستند و بوجودمی­آیند نپرداخته­اند. شاید روزی زمینه­ای علمی‌ برای توضیحِ کامل قانونِ سومِ ترمودینامیک به وجود بیاید.

——————–

[۱]

Entropy

[۲]

ordered state of the universe

[۳]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 4 and 5. New York: Wiley, 1997.

[۴]

disorder

[۵]

original state

[۶]

Rudolf Clausius

[۷]

qualitatively useful

[۸]

vibrating atoms

[۹]

ordered arrangement

[۱۰]

probability distribution of the velocities of particles

[۱۱]

Ludwig Boltzmann

[۱۲]

probability theory

[۱۳]

Relationship between entropy and the probabilistic arrangements of atoms in gases

[۱۴]

universe

[۱۵]

heat death

[۱۶]

Morris, R. Time’s Arrow: Scientific Attitudes Toward Time. New York: Touchstone, 1985.

[۱۷]

trophic levels

[۱۸]

creationists

[۱۹]

National Academy of Sciences. Science and Creationism: A View from the National Academy of Sciences. Washington, DC: National Academy Press, 1984.

================

* دکتر ریموند رخشانی:

با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد.

در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی، کوشش می کنم که علم مدرن را (به زبان فارسی) از پایه به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم. از اساتید، پژوهشگران و اندیشمندان عزیز، خواهشمندم که لینک‌ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم مدرن – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند.

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.