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.
——————–
Entropy
ordered state of the universe
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 4 and 5. New York: Wiley, 1997.
disorder
original state
Rudolf Clausius
qualitatively useful
vibrating atoms
ordered arrangement
probability distribution of the velocities of particles
Ludwig Boltzmann
probability theory
Relationship between entropy and the probabilistic arrangements of atoms in gases
universe
heat death
Morris, R. Time’s Arrow: Scientific Attitudes Toward Time. New York: Touchstone, 1985.
trophic levels
creationists
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.