آنتروپی- بخش اول

13
10550

بیگ بنگ: شب به مهماني مي رويد. قفل پنجره باز مانده است، از بخت بد آن شب هوا توفاني مي شود. از مهماني كه بر مي گرديد …! خانم هاي وسواسي در اين مواقع ديوانه مي شوند! چرا طبيعت اينگونه است؟ در عرض چند ساعت تمام نظم و تميزي خانه با يك توفان كه تنها از حجم يك پنجره به خانه هجوم آورده ، به هم مي ريزد، چرا يكبار اتفاق نيفتاده كه پنجره باز بماند وتوفان خانه را تميز و منظم كند؟! (البته بعضي آقايان مجرد به ويژه در خوابگاهها ادعا مي كنند چنين چيزي را در اتاق خود ديده اند، بعدها معلوم شده كه هيچ توفاني قدرت بي نظم كردن شلختگي ايشان را ندارد!) به نظر مي رسد كه گم شدن انرژي هنگام تبديل آن به انرژي كار، دانشمندان را به سوي مفهوم آنتروپي سوق داده باشد، با اين حال پديده هايي كه نشانگر اصل آنتروپي هستند به كرات در زندگي روزمره ما رخ مي دهد. با ما همراه باشيد تا خود به اين اتفاقات پي ببريد.

5
مفهوم واژه آنتروپي اولين بار در سال 1803 ميلادي توسط دانشمند فرانسوي علاقمند به آثار سعدي يعني لازار كارنو وارد علم مي شود. پسر او سعدي كارنو راه پدر را ادامه داده و اين واژه را براي دانش ترموديناميك آشناتر مي سازد. در ادامه دانشمند آلماني رودولف كلازيوس مفهموم آنتروپي را در ارتباط با مفاهيم دما و گرما به عنوان قانون دوم ترموديناميك جا مي اندازد. اين قانون بعدها توسط دانشمنداني همچون گيبس، هلمهولتز،ماكسول و پلانک توسعه يافت و بخش لاينفكي از ترموديناميك كلاسيك شد. در آينده اي نزديك اين لودويك ادوارد بولتزمن ، دانشمند اتريشي بود كه براي اولين بار مفهوم آنتروپي را با مكانيك آماري در آميخت و بنيانگذار ترموديناميك آماري شد. استخراج كميتهاي ترموديناميك كلاسيك توسط ترموديناميك آماري بر اساس ساختارهاي اتمي به راستي حيرت انگيز و لذت بخش است. مفاهيم فلسفي ترموديناميك آماري نيز واقعا عميق است.

چگونه مفهموم آنتروپي خلق مي شود؟ باور كنيد يادگيري فرآيند خلق مفاهيم علمي در فراگيري زبان علم و تمام بحثهايي كه در مورد آن شد، بسيار حياتي است. بياييد تاريخچه ذكر شده را فراموش كنيم و خودمان خالق مفهوم آنتروپي شويم و از علم لذت ببريم. يك فن(پنكه) در نظر بگيريد، با اطمينان از اينكه سيم آن به برق وصل نيست به اين پرسش پاسخ دهيد : آيا اين فن مي تواند خود به خود بچرخد؟چرا؟ در سمينارهايي كه در دانشگاه داشته ام، بيشتر دانشجوها جواب هاي شاعرانه مي دهند مانند : “دليلي ندارد خود به خود بچرخد” ، “بديهي است كه نمي چرخد” ، “بدون برق نمي چرخد” ، “براي چرخش انرژي مي خواهد”و … ظاهرا برخي جوابها علمي است، اما باور كنيد معدود دانشجوهايي پيدا مي شدند كه دقيقا با زبان علمي به اين پرسش جواب دهند! پاسخ علمي آن چيست؟ ” طبق اصل بقاي انرژي يا قانون اول ترموديناميك اين فن خود به خود نمي چرخد.” ما زماني حرفه اي مي شويم كه بتوانيم مشاهدات و پرسش هايمان را بر طبق اصول علمي بررسي نموده و پاسخ دهيم، قطعا آن زماني كه مطمئن شويم پرسشي وجود دارد كه با هيچكدام از اصول علمي موجود قابل پاسخ نيست، راه براي كشف يك اصل جديد فراهم مي آيد!

بنابراين به نظر مي رسد كه پاسخ را يافته ايم و يك فن طبق اصل بقاي انرژي خود به خود نمي چرخد. اما پاسخ ما هنوز دقيق نيست. ظاهرا ما مفهوم انرژي را خوب نمي دانيم، مگر اصل بقاي انرژي تاكيد مي كند كه فن حتما بايد با انرژي الكتريكي بچرخد؟ به هيچ وجه! آيا انرژي ديگري در اطراف فن وجود دارد؟ فراوان، لطفا فكر كنيد. مثلا انرژي گرمايي مولكولهاي هوا و يا انرژي امواج الكترومغناطيسي سرگردان در محيط كه همه جاي جهان وجود دارد. پس مشكل چرخش خود به خودي، فقدان انرژي نيست! اكنون پرسش عميق تري پديد مي آيد: چرا انرژي مولكولهاي هوا سبب چرخش فن نمي شود؟! (يعني به ازاي كاهش دما و خنك شدن محيط، فن بچرخد!) اين جاست كه ديگر هيچ اصل علمي پاسخگوي پرسش ما نيست و ما براي پاسخ به اين پرسش بايد خالق مفهوم آنتروپي باشيم.

22

مفهوم نظم و بي نظمي چيست؟ قبل از پرداختن به اين پرسش لازم است يكي از واژه هاي بسيار مهم در هر شاخه اي از علم را بشناسيم ، يعني “سيستم”. به زبان احساسي و ادبي ، سيستم مجموعه اي از اعضاي مرتبط با هم است كه براي رسيدن به يك هدف مشترك دست به دست همديگر داده اند. اما تعريف علمي آن عبارت است از :گروهي از عناصر وابسته كه به منظور خاصي سازمان يافته است.براي شناختن هر سيستمي لازم است كه حدود آن مشخص شود. سيستمها ممكن است چند زير سيستم يا زير زير سيستم قابل تشخيص داشته باشند. شما هر آنچه را اراده كنيد مي توانيد تحت يك سيستم مطالعه كنيد. مهم اين است كه سيستم شما از محيط قابل تشخيص باشد. اكنون اين پرسش مطرح مي شود كه كدام سيستم منظم تر است؟ پاسخ اين است :هر چهميان عناصر تشكيل دهنده آن سيستم روابط ساده تري حاكم باشد ، منظم تر است.

بنابراين با زبان ساده تري قابل تعريف است. به طور خلاصه هر چقدر تعريف يك سيستم ساده تر باشد، آن سيستم منظم تر است! مثلا خط مستقيم منظم تر از خط منحني است، چون معادله تعريف كننده آن ساده تر است. به همين ترتيب دايره منظم تر از بيضي است. شكل هندسي، منظم تر از شكل غير هندسي است. سيستم اعداد زوج منظم تر از اعداد اول است. اگر شما با يك نگاه به دو سيستم در شرايط كاملا برابر، يكي را راحت تر به خاطر سپرده و باز سازي كنيد، قطعا آن يكي منظم تر است. با اين اوصاف منزل يك خانم خانه دار منظم تر از آقايان مجرد است. البته نظم اگر به حد وسواسي خود برسد، آزار دهنده خواهد بود، اين را مي توان از خود طبيعت آموخت. بدن خود ما منظم است، اما اين نظم در يك دامنه محدود انعطاف دارد! در ادامه متوجه مي شويم كه بدن يخ زده ما از اين نيز منظم تر است، اما معناي اين نظم با مرگ در آميخته است. به همين ترتيب اگر بدن از 37 درجه گرمتر شود ، بي نظمي در حال افزايش است و در ادامه مرگ آن را فرا مي گيرد، پس اگر چه انجماد نظم را افزايش و سوختن آن را كاهش مي دهد، اما سوختن و يخ زدن هر دو به معناي مرگ است! با اين حال انجماد نقطه اميدي را باقي مي گذارد.

عنكبوتهايي هستند كه با جريان هوا به ارتفاعات صعود كرده و كاملا يخ مي زنند. سپس با طي مسافتي طولاني به سطح زمين برگشته و به زندگي خود ادامه مي دهند، ظاهرا به اين اميد افرادي با بيماري بدون درمان با پرداخت هزينه اي بالا، بدن خود را به اميد آينده فريز مي كنند. بياييد نگاهي دقيق به محيط اطرافمان بيندازيم. با اينكه كره زمين داراي شرايط ايده آل و استثنايي براي موجودات زنده است، با اين وجود بسياري از پديده هاي خود به خودي سر ناسازگاري با ما دارند. ما خواهان نظم هستيم ، اما …! آبها خود به خود آلوده مي شوند و ما بايد براي تصفيه آن تلاش كنيم. ما به سختي فلزات خالص تهيه مي كنيم ، اما آنها به مرور زنگ مي زنند و مسطهلك مي شوند. ما محيط منزل و كار را به زحمت تميز مي كنيم ، اما آنها خود به خود كثيف مي شوند. يك ظرف بلورين با ارزش در اثر يك بي احتياطي مي شكند و براي هميشه بي ارزش مي شود. گاز سبكي كه بادكنك را بالا مي برد، با تركيدن آن بلافاصله در هوا پخش شده و با ديگر گازها مخلوط مي شود.بيش از نصف انرژي سوخت ما به جاي حركت خودرو ، تلف مي شود و ….! چند مثال ديگر را مي توانيد تصور كنيد؟

1entropy

طبيعت نسبتا منظم است و ما همچون بقيه جانوران به طور غريزي و با استفاده از حواس خود به نظم و بي نظمي طبيعي حساسيت نشان مي دهيم. اين موضوع براي بقا الزامي است. به طور مثال بوي خوشايند يك گلستان نشان دهنده محيط منظم تري نسبت به محيطي با بوي متعفن اجساد در حال پوسيدن است. جانوران از شامه خود براي يافتن خوراك و محيط امن تر و … استفاده مي كنند. براي حس چشايي نيز همينطور است. يك سيب تازه يا يك ميوه شيرين مورد قبول است، در حاليكه يك سيب گنديده يا يك سم تلخ مورد پذيرش حس چشايي نيست. به همين ترتيب در مورد حس شنوايي مقايسه كنيد يك موسيقي داراي ريتم منظم را با يك صداي بي نظم گوشخراش! لذت و درد براي حس لامسه و …! لطفا در اين مورد و مثالهاي بيشتر فكر كنيد و ببينيد چگونه فرآيند فرگشت با اين سنسورها ، جانوران و ما را براي بقا و توليد مثل پرورش داده است.

بر گرديم به پرسشي كه همانند بسياري ديگر از اين نوع مي تواند به خلق مفهوم آنتروپي منجر شود. چرا يك فن خود به خود نمي چرخد؟ چرا انرژي گرمايي مولكول هاي هوا باعث چرخش فن نمي شود؟ چرا يك فنجان چاي خود به خود سرد مي شود و گرمايش در محيط پخش مي شود، اما عكس آن اتفاق نمي افتد؟ پاسخ عميق اين چرا را ترموديناميك آماري مي دهد. در حالت معمول، چرايي كه پاسخي در كتاب علمي نداشته باشد، نشان دهنده وجود يك مفهوم يا قانون جديد علمي است كه بايد كشف شود. البته اين كشف زماني كامل مي شود كه يك توضيح جامع علمي داشته و رياضي آن براي پيش بيني هاي دقيق فرموله شود. اين پرسشها و چراها كلازيوس را واداشت كه بگويد : انتقال گرما از يك منبع سرد به منبع گرم امكان ندارد مگر اينكه همزمان با آن مقداري كار به گرما تبديل شود!

كلوين نيز گفت : غير ممكن است بتوان گرما از منبعي گرفت و آن را به كار تبديل كرد بدون آنكه همزمان با آن مقداري گرما از منبع گرم به منبع سرد انتقال نيابد. مقداري آكادميك شد! موضوع روشن است. گرما كه درجه آن با دما نشان داده مي شود، نمي تواند خود به خود به كار تبديل شود. يك محيط همدما به تعادل رسيده است و در حالت تعادل تحولي كه به كار منجر شود، اتفاق نمي افتد. گرمايي به كار تبديل خواهد شد كه در كنار سرما قرار داشته باشد و اين يعني عدم تعادل. همه اينها در يك چيز خلاصه مي شود كه در يك سيستم منزوي يعني بدون تبادل انرژي با محيط ، اين موج گرماست كه به سمت سرما هجوم آورده و تا رسيدن به تعادل و همدمايي از پا نمي نشيند. برعكس آن امكان پذير نيست. يخچال مي تواند برعكس عمل كند و با انتقال گرما به بيرون، خود را سردتر كند، اما يخچال يك سيستم منزوي نيست. در بحث ترموديناميك آماري خواهيم گفت كه تمام اين جملات با آمار و احتمال بيان مي شود!

ادامه دارد »»»

نویسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

منابع بیشتر: کتاب ترمودینامیک – کالن , Order and disorder , panspermia , hyperphysics.phy-astr , Entropy , video , pdf , creationdefense



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

13 دیدگاه‌ها

  1. چرا انرژی مولکولهای هوا سبب چرخش فن نمی شود؟! (یعنی به ازای کاهش دما و خنک شدن محیط، فن بچرخد!) این جاست که دیگر هیچ اصل علمی پاسخگوی پرسش ما نیست و ما برای پاسخ به این پرسش باید خالق مفهوم آنتروپی باشیم.
    به نظر من همون قانون اول نیوتن پاسخگوی پرسش ما هستش. چون برایند نیروهای وارد بر فن صفر هستند یا حداقل در حد مینیمم انرژی مورد نیاز برای چرخیدن فن نیستند. البته شما هم به نوعی همین حرف رو زدین.

      • حرکت نکردن فن با قانون اول نیوتن که اینرسی هستش هم قابل بیانه اما اینجا چون به انتروپی که مفهومی از ترمودینامیک هست میپردازیم پس استفاده از قانون بقای انرژی و حرکت مناسبتره.