انتروپی چیست
انتروپی، اندازه گیری انرژی حرارتی یک سیستم در واحد دمایی است که برای انجام کار مفید در دسترس نیست. از آنجایی که کار از حرکت مولکولی منظم به دست می آید، مقدار آنتروپی نیز معیاری برای بی نظمی مولکولی یا تصادفی بودن یک سیستم است.
مفهوم آنتروپی بینش عمیقی را در مورد جهت تغییر خود به خودی برای بسیاری از پدیده های روزمره فراهم می کند. معرفی آن توسط فیزیکدان آلمانی رودولف کلازیوس در سال 1850 برجسته‌ترین نقطه فیزیک قرن نوزدهم است.
ایده آنتروپی یک راه ریاضی برای رمزگذاری این مفهوم شهودی ارائه می دهد که فرآیندها غیرممکن هستند، حتی اگر قانون اساسی بقای انرژی را نقض نکنند. به عنوان مثال، یک قطعه یخ که روی یک اجاق داغ قرار می‌گیرد، مطمئناً ذوب می‌شود، در حالی که اجاق گاز خنک‌تر می‌شود.
چنین فرآیندی غیرقابل برگشت نامیده می شود زیرا هیچ تغییر جزئی باعث نمی شود که آب ذوب شده دوباره به یخ تبدیل شود در حالی که اجاق گاز داغ می شود. در مقابل، یک قطعه یخ که در یک حمام آب یخ قرار می‌گیرد، بسته به اینکه مقدار کمی گرما به سیستم اضافه شود یا از آن کم شود، یا کمی بیشتر آب می‌شود یا کمی بیشتر منجمد می‌شود.
چنین فرآیندی برگشت‌پذیر است، زیرا برای تغییر جهت آن از انجماد تدریجی به ذوب تدریجی، تنها به مقدار بی‌نهایت گرما نیاز است. به طور مشابه، گاز فشرده محصور شده در یک سیلندر، در صورت باز شدن یک سوپاپ، می‌تواند آزادانه به داخل جو منبسط شود (فرآیندی غیرقابل برگشت)، یا می‌تواند با فشار دادن یک پیستون متحرک در برابر نیروی مورد نیاز برای محدود کردن گاز، کار مفیدی انجام دهد.
فرآیند دوم برگشت پذیر است زیرا تنها افزایش جزئی در نیروی بازدارنده می تواند جهت فرآیند را از انبساط به تراکم معکوس کند. برای فرآیندهای برگشت‌پذیر، سیستم با محیط خود در تعادل است، در حالی که برای فرآیندهای برگشت‌ناپذیر اینطور نیست.
آنتروپی یکی از مفاهیم مهمی است که دانش آموزان در حین مطالعه شیمی و فیزیک باید به وضوح آن را درک کنند. مهم‌تر از آن، آنتروپی را می‌توان به روش‌های مختلفی تعریف کرد و بنابراین می‌توان آن را در مراحل یا موارد مختلفی مانند مرحله ترمودینامیکی، کیهان‌شناسی و حتی در اقتصاد به کار برد.
مفهوم آنتروپی اساساً از تغییرات خود به خودی که در پدیده های روزمره رخ می دهد یا گرایش جهان به سمت بی نظمی صحبت می کند.
در ادامه با این موضوع بیشتر آشنا می شویم.
انتروپی
به طور کلی، آنتروپی به عنوان معیار تصادفی یا بی نظمی یک سیستم تعریف می شود. این مفهوم توسط یک فیزیکدان آلمانی به نام رودولف کلازیوس در سال 1850 معرفی شد.
جدا از تعریف کلی، تعاریف متعددی برای این مفهوم وجود دارد. دو تعریف آنتروپی که در این صفحه به آنها نگاه خواهیم کرد، تعریف ترمودینامیکی و تعریف آماری هستند.
از دیدگاه ترمودینامیک آنتروپی، ما جزئیات میکروسکوپی یک سیستم را در نظر نمی گیریم. در عوض، آنتروپی برای توصیف رفتار یک سیستم از نظر خواص ترمودینامیکی، مانند دما، فشار، آنتروپی و ظرفیت گرمایی استفاده می‌شود. این توصیف ترمودینامیکی وضعیت تعادل سیستم ها را در نظر گرفت.
علاوه بر این، تعریف آماری، که در مرحله بعد توسعه یافت، بر خواص ترمودینامیکی متمرکز بود که بر اساس آمار حرکات مولکولی یک سیستم تعریف شده بود. آنتروپی معیاری برای سنجش بی نظمی مولکولی است.
سایر تفاسیر رایج آنتروپی به شرح زیر است:
-اگر در مورد مکانیک آماری کوانتومی صحبت کنیم، فون نیومن مفهوم آنتروپی را با استفاده از ماتریس چگالی به حوزه کوانتومی گسترش داد.
-هنگام بحث در مورد تئوری اطلاعات، این معیار سنجش کارایی یک سیستم در انتقال سیگنال یا از دست دادن اطلاعات در سیگنال ارسالی است.
-وقتی صحبت از سیستم های دینامیکی می شود، آنتروپی پیچیدگی رو به رشد یک سیستم دینامیکی را تعریف می کند. همچنین میانگین جریان اطلاعات در واحد زمان را تعیین می کند.
-جامعه شناسی بیان می کند که آنتروپی زوال اجتماعی یا زوال طبیعی ساختار (مانند قانون، سازمان و قرارداد) در یک سیستم اجتماعی است.
-در کیهان شناسی، آنتروپی به عنوان یک تمایل فرضی جهان برای رسیدن به حالت حداکثر همگنی توصیف می شود. بیان می کند که ماده باید در دمای یکنواخت باشد.
در هر صورت، امروزه اصطلاح آنتروپی در بسیاری از علوم دیگر بسیار دور از فیزیک یا ریاضیات استفاده می شود و باید بگوییم که دیگر ویژگی کمی دقیق خود را حفظ نمی کند.
خواص آنتروپی
- یک تابع ترمودینامیکی است.
- یک تابع حالت است. بستگی به وضعیت سیستم دارد نه مسیری که طی می شود.
- با S نشان داده می شود، اما در حالت استاندارد، با S نشان داده می شود.
- واحد SI آن J/Kmol است.
- واحد CGS آن cal/Kmol است.
آنتروپی یک ویژگی گسترده است که به این معنی است که با اندازه یا وسعت یک سیستم مقیاس می شود.
توجه: اختلال بزرگتر در یک سیستم ایزوله دیده می شود. از این رو، آنتروپی نیز افزایش می یابد. هنگامی که واکنش های شیمیایی انجام می شود، اگر واکنش دهنده ها به محصولات بیشتری بشکنند، آنتروپی نیز افزایش می یابد. سیستمی که دمای بالاتری دارد، تصادفی بیشتری نسبت به سیستمی با دمای پایین تر دارد.
از این مثال ها مشخص است که آنتروپی با کاهش نظم افزایش می یابد.
ترتیب آنتروپی: گاز> مایع> جامد
آنتروپی و ترمودینامیک
در اینجا، ما رابطه بین آنتروپی و قوانین مختلف ترمودینامیک را مقایسه یا درک خواهیم کرد.
قانون اول ترمودینامیک
بیان می کند که گرما نوعی انرژی است و بنابراین فرآیندهای ترمودینامیکی تابع اصل بقای انرژی هستند. این بدان معنی است که انرژی گرمایی ایجاد یا از بین نمی رود. با این حال، می تواند از مکانی به مکان دیگر منتقل شود و به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود.
توجه داشته باشید:
هنگامی که جامد به مایع و مایع تبدیل به گاز می شود، آنتروپی افزایش می یابد.
آنتروپی همچنین زمانی افزایش می یابد که تعداد مول های محصولات گازی بیشتر از واکنش دهنده ها افزایش یابد.
برخی چیزها برخلاف انتظارات در مورد آنتروپی است.
یک تخم مرغ آب پز سفت آنتروپی بیشتری نسبت به تخم مرغ پخته نشده دارد. این به دلیل دناتوره شدن ساختار ثانویه پروتئین (آلبومین) است. پروتئین از ساختار مارپیچ به شکل تصادفی پیچ خورده تغییر می کند.
اگر یک نوار لاستیکی را بکشیم، آنتروپی کاهش می‌یابد زیرا درشت مولکول‌ها از هم باز می‌شوند و به شیوه‌ای منظم‌تر مرتب می‌شوند. بنابراین، تصادفی بودن کاهش خواهد یافت.
قانون دوم ترمودینامیک
با توجه به مفاهیم آنتروپی و خودانگیختگی، قانون دوم ترمودینامیک تعاریف متعددی دارد.
تمام فرآیندهای خود به خودی طبیعی از نظر ترمودینامیکی برگشت ناپذیر هستند.
انتقال کامل گرما به کار از نظر ترمودینامیکی بدون هدر رفتن مقدار معینی انرژی امکان پذیر نیست.
آنتروپی جهان پیوسته در حال افزایش است.
تغییر کل آنتروپی همیشه مثبت است. آنتروپی یک سیستم به اضافه آنتروپی محیط اطراف آن بزرگتر از صفر خواهد بود.
قانون سوم ترمودینامیک
با نزدیک شدن دما به دمای مطلق، آنتروپی هر جامد کریستالی به صفر نزدیک می شود. به این دلیل است که در یک کریستال در صفر مطلق یک نظم کامل وجود دارد.
محدودیت این قانون این است که بسیاری از جامدات آنتروپی صفر در صفر مطلق ندارند.
به عنوان مثال، یک جامد شیشه ای و یک جامد حاوی مخلوطی از ایزوتوپ ها.
آنتروپی در زندگی روزمره ما
همه ما آنتروپی را در زندگی روزمره خود مشاهده کرده ایم. همه چیز به سمت بی نظمی می رود. به نظر می رسد زندگی همیشه پیچیده تر می شود. اتاق هایی که زمانی مرتب می شوند، به هم ریخته و پر گرد و غبار می شوند. روابط قوی شکسته می شود و پایان می یابد.
صورت هایی که قبلاً جوان بودند چین و چروک می شوند و موها خاکستری می شوند. مهارت های پیچیده فراموش می شوند. ساختمان‌ها با ترک‌های آجرکاری، تراشه‌های رنگ و شل شدن کاشی‌ها تخریب می‌شوند.
آنتروپی یک مدل ذهنی مهم است زیرا در هر بخش از زندگی ما کاربرد دارد. درک واقعی آنتروپی منجر به تغییر اساسی در نحوه نگرش ما به جهان می شود. نادیده گرفتن آن مسئول بسیاری از بزرگترین اشتباهات و شکست های ماست.
ما نمی توانیم انتظار داشته باشیم که چیزی به همان شکلی که ما ترک می کنیم باقی بماند. برای حفظ سلامتی، روابط، مشاغل، مهارت ها، دانش، جوامع و دارایی هایمان نیازمند تلاش و هوشیاری بی پایان است. بی نظمی یک اشتباه نیست؛ پیش فرض ما است. سفارش همیشه مصنوعی و موقتی است.
آیا این غم انگیز یا بی معنی به نظر می رسد؟ این طور نیست. دنیایی را بدون آنتروپی تصور کنید – همه چیز همانطور که ما آن را ترک می کنیم باقی می ماند، هیچ کس پیر نمی شود یا بیمار نمی شود، هیچ چیز شکسته نمی شود یا از کار می افتد، همه چیز بکر می ماند. مسلماً، آن نیز جهانی بدون نوآوری یا خلاقیت، جهانی بدون فوریت یا نیاز به پیشرفت خواهد بود.
بسیاری از مردم بهبود جهان برای نسل های آینده را به عنوان هدف خود در زندگی ذکر می کنند. آنها تظاهرات می کنند، قوانین جدید وضع می کنند، اشکال جدیدی از فناوری ایجاد می کنند، برای کاهش فقر تلاش می کنند و اهداف عالی دیگر را دنبال می کنند.
هر یک از ما تلاش خود را برای کاهش بی نظمی انجام می دهیم. وجود آنتروپی چیزی است که ما را در حال حرکت نگه می دارد.
مدل‌های ذهنی قدرتمند هستند زیرا ما را قادر می‌سازند تا اختلالی را که ما را احاطه کرده است درک کنیم. آنها میانبری را برای درک دنیای آشفته و اعمال کنترل بر آن در اختیار ما قرار می دهند.
manisa
