انتروپی چیست؟
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
انتروپی یک مفهوم بسیار حیاتی در علم فیزیک و شیمی است و پدیده‌های بسیاری را توضیح می‌دهد. برای مثال، حل شدن رنگ در آب، ذوب شدن یخ و خارج شدن هوا از سوراخ لاستیک خودرو را در نظر بگیرید. توضیح تمام این وقایع ریشه در مفهوم انتروپی دارند؛ با این حال، فهم انتروپی چندان هم ساده نیست و گاهی گیج‌کننده به نظر می‌رسد.
این جمله‌ی معروف را بارها شنیده‌اید که انتروپی و بی‌نظمی جهان رو به افزایش است. البته چنین تعریفی نادرست نیست؛ اما درک خاصی از انتروپی به ما نمی‌دهد.
در واقع، انتروپی مفهومی است که به انرژی معنا می‌دهد؛ زیرا انرژی زمانی قابل استفاده است که قابلیت پخش شدن داشته باشد.
آنتروپی همان میزان تمایل، به پخش و انتشار یک انرژی انباشته شده است. در بسیاری از کتاب‌های درسی برای معرفی انتروپی از تمثیل اتاق مرتب و اتاق نامرتب استفاده می‌کنند و این‌طور نتیجه‌گیری می‌کنند که اتاق نامرتب انتروپی بیشتری از اتاق مرتب دارد.
در صورتی که این نتیجه‌گیری دقیق نیست. بی‌نظمی آنتروپی از جنس بی‌نظمی تعریف شده در ذهن ما نیست. سیستمی که حجم بیشتری دارد، مکان‌های بیشتری هم برای حضور مولکول‌ها خواهد داشت و مولکول‌ها موقعیت‌های بیشتری برای جابه‌جایی دارند؛ پس در مقایسه ی این دو اتاق، انتروپی اتاقی بیشتر است که فضای بیشتری داشته باشد.
اهمیت انتروپی
برای درک بهتر مفهوم انتروپی می‌توان گریزی به تاریخ زد. اینکه چرا بحث انتروپی مطرح شد؟ و شناخت انتروپی قرار بود کدام نیاز بشر را رفع کند؟
شاید اهمیت کاربردی آنتروپی به دوران انقلاب صنعتی برگردد. دورانی که موتورها و ماشین‌آلات مورد توجه عموم قرار گرفت؛ با این حال ماشین‌های بخار آن دوران توان تقریبی معادل ۱۰ اسب‌بخار! داشتند و نخستین موتورهای طراحی شده، با راندمانی کم‌تر از ۲ درصد کار می‌کردند.
به‌دنبال آن مهندسان به طراحی و ساخت موتورهای پربازده‌تر علاقه‌مند شدند. در همین دوران بود که رودلف کلاوزیوس، فیزیکدان آلمانی مفهوم آنتروپی را به جهان معرفی کرد.
قطعات یک موتور زمانی شروع به حرکت می‌کنند که سوخت وارده به آن، ایجاد گرما کند. در واقع در اینجا انرژی تمایل به انتشار خود از طریق آزاد کردن گرما را دارد.
مشکلی که در خصوص راندمان موتورهای اولیه وجود داشت، این بود که گرمای آزاد شده به‌صورت متمرکز ایجاد نمی‌شد و همین باعث هدررفت انرژی و کاهش راندمان این دستگاه‌ها می‌شد.
بنابراین درک انتروپی به ساخت موتورهایی با پخش انرژی متمرکزتر و راندمان بالاتر کمک کرد. در این برهه از تاریخ بود، که آنتروپی جان گرفت!
چرا انتروپی همیشه در حال افزایش است؟
برای درک بهتر این موضوع دو کمیت انرژی و انتروپی را با هم مقایسه می‌کنیم. انتروپی از جنس انرژی نیست.
در ابتدای مطلب گفته شد که انتروپی شاخصی برای اندازه‌گیری تمایل انرژی به انتشار است؛ این واقعیت را طور دیگری هم می‌توان بیان کرد.
انتروپی، فعالیت‌های تصادفی در یک سیستم را اندازه‌گیری می‌کند. در اینجا، منظور از تصادفی، وحشی بودن انرژی است که خود به خود مهار نشده و به کار فیزیکی تبدیل نمی‌شود.
در واقع، انتروپی معیاری برای اندازه‌گیری انرژی تلف شده است! اندازه‌گیری بخشی از انرژی که به کار تبدیل نمی‌شود. ضمن اینکه انتروپی چگونگی توزیع و انتشار انرژی را در جهان مشخص می‌کند.
آنتروپی چیست
مقدار انرژی جهان بدون هیچ کم و زیاد شدنی، ثابت است؛ اما مسیرهایی که این انرژی آزاد می‌شود، در حال تغییر است.
آزاد شدن انرژی‌های انباشته معادل افزایش آنتروپی خواهد بود. در جهان، انرژی‌های انباشته‌ی زیادی وجود دارد که هنوز دست بشر به آن‌ها نرسیده است.
در کنار سوخت‌های فسیلی که جزو انرژی‌های تجدیدناپذیر طبیعت هستند، منابع انرژی عظیمی در جهان وجود دارد که هنوز آن‌ها را به کار نگرفته‌ایم و امکان استفاده از آن‌ها وجود دارد.
جدا از تمایل انرژی به آزاد شدن، گذر زمان با آزاد شدن حجم بالاتری از انرژی همراه خواهد بود که باعث روند رو به افزایش انتروپی خواهد شد.
انتروپی و قانون دوم ترمودینامیک
قانون دوم ترمودینامیک با تمام هیاهویش فقط یک جمله دارد: انتروپی جهان در حال افزایش است!
این قانون با تمام خلاصه و مختصر بودنش، معنای عمیقی دارد و کمک بزرگی به درک ما از نحوه‌ی عملکرد فرآیندها در جهان هستی می‌کند.
برای مثال این قانون به ما توضیح می‌دهد، چرا یک قابلمه‌ی داغ پس از مدتی سرد می‌شود،
چرا بدن ما حتی در هوای سرد هم گرم باقی می‌ماند،
چرا بنزین خودروی ما را راه می اندازد و پرسش‌های بی‌شماری که به‌صورت روزمره درگیر آن‌ها هستیم.
در واقع، قانون دوم ترمودینامیک، اصل اساسی صنایع شیمیایی است که در نیمی از قرن گذشته، مردم دنیا را از گرسنگی نجات داده است؛
تولید دارو، کودهای شیمیایی و تولیدات دیگری که به بقای طولانی‌تر بشر در زمین کمک کرده‌اند.
قانون دوم ترمودینامیک می‌گوید که انرژی در جهان مادی، به هر شکلی که باشد، یا پراکنده می‌شود یا گسترش پیدا خواهد کرد.
بنابراین آنتروپی میزان خود به خود بودن فرآیندها را به‌صورت کمی اندازه‌گیری می‌کند و مشخص می‌کند که در یک دمای به‌خصوص، چه مقدار انرژی، آزاد شده است.
به بیان دیگر، قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که هر فرایند در جهتی پیش می‌رود که آنتروپی آن در سیستم افزایش پیدا کند.
عوامل مؤثر بر انتروپی
موارد مختلفی می‌توانند بر آنتروپی یک سیستم تأثیرگذار باشند.
در حالت کلی آنتروپی تابعی از حجم و دما است و افزایش هر دوی این‌ها باعث افزایش آنتروپی خواهد شد.
با دادن گرما به یک سیستم، (برای مثال یک محفظه‌هوا) دمای آن افزایش پیدا می‌کند و به‌دنبال افزایش دما، تحرک یا همان انرژی جنبشی مولکول‌های سیستم هم بیشتر خواهد شد؛
بنابراین تعداد برخوردهای مولکولی افزایش پیدا کرده و آمادگی سیستم برای انتشار انرژی‌اش بیشتر می‌شود؛
در این حالت می‌توان، انتظار کار هم از سیستم داشت. چنانچه یک پیستون به سیستم متصل باشد، انرژی حرارتی می‌تواند باعث حرکت آن شود.
با این حال، فقط بخشی از این گرما باعث حرکت پیستون می‌شود و قسمت عمده‌ی آن صرف افزایش برخوردهای مولکولی خواهد شد.
حجم سیستم هم یکی از عوامل تأثیرگذار بر افزایش آنتروپی است.
سیستمی که حجم بیشتری دارد، مکان‌های بیشتری هم برای حضور مولکول‌ها خواهد داشت و مولکول‌ها موقعیت‌های بیشتری برای جابه‌جایی دارند؛ در نتیجه افزایش حجم یک سیستم به افزایش انتروپی منجر خواهد شد.
تغییر فاز مواد هم یکی از عوامل مؤثر بر آنتروپی است.
گذار از یک فاز به یک فاز دیگر می‌تواند با افزایش یا کاهش انتروپی همراه باشد.
برای مثال فرایند ذوب نوعی تغییر فاز از جامد به مایع است.
در فاز مایع، فضای مولکولی نسبت به جامد آزادتر است بنابرین در ذوب انتروپی افزایش پیدا می‌کند.
در فرآیندی مانند چگالش که گاز به جامد تبدیل می‌شود، فضای مولکولی محدودتر شده و با کاهش انتروپی مواجه خواهیم بود.
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
منبع متن: زومیت