انتروپي و مفهوم آن به زبان ساده

انتروپي يك مفهوم بسيار حياتي در علم فيزيك و شيمي است و پديده‌هاي بسياري را توضيح مي‌دهد. براي مثال، حل شدن رنگ در آب، ذوب شدن يخ و خارج شدن هوا از سوراخ لاستيك خودرو را در انديشه متخصصين بگيريد. توضيح تمام اين وقايع ريشه در مفهوم انتروپي دارند؛ با اين حال، فهم انتروپي چندان هم ساده نيست و گاهي گيج‌كننده به انديشه متخصصين مي‌رسد.

در دوران مدرسه و دانشگاه، جزوه رايگان‌هاي درسي ما، انتروپي را به‌عنوان معياري براي سنجش بي‌نظمي معرفي كرده‌اند و اين جمله‌ي معروف را بارها شنيده‌ايد كه انتروپي و بي‌نظمي جهان رو به افزايش است. البته چنين تعريفي نادرست نيست؛ اما درك خاصي از انتروپي به ما نمي‌دهد.

در واقع، انتروپي مفهومي است كه به انرژي معنا مي‌دهد؛ زيرا انرژي زماني قابل استفاده است كه قابليت پخش شدن داشته باشد. انتروپي همان ميزان تمايل، به پخش و انتشار يك انرژي انباشته شده است. در بسياري از جزوه رايگان‌هاي درسي براي معرفي انتروپي از تمثيل اتاق مرتب و اتاق نامرتب استفاده مي‌كنند و اين‌طور نتيجه‌گيري مي‌كنند كه اتاق نامرتب انتروپي بيشتري از اتاق مرتب دارد. در صورتي كه اين نتيجه‌گيري دقيق نيست.  بي‌نظمي انتروپي از جنس بي‌نظمي تعريف شده در ذهن ما نيست. سيستمي كه حجم بيشتري دارد، مكان‌هاي بيشتري هم براي حضور مولكول‌ها خواهد داشت و مولكول‌ها موقعيت‌هاي بيشتري براي جابه‌جايي دارند؛ پس در مقايسه ي اين دو اتاق، انتروپي اتاقي بيشتر است كه فضاي بيشتري داشته باشد.

براي درك بهتر مفهوم انتروپي مي‌توان گريزي به تاريخ زد. اينكه چرا مباحثه انتروپي مطرح شد؟ و شناخت انتروپي قرار بود كدام نياز بشر را رفع كند؟

شايد اهميت متخصصدي انتروپي به دوران انقلاب صنعتي برگردد. دوراني كه موتورها و ماشين‌آلات مورد توجه عموم قرار گرفت؛ با اين حال ماشين‌هاي بخار آن دوران توان تقريبي معادل ۱۰ اسب‌بخار! داشتند و نخستين موتورهاي طراحي شده، با راندماني كم‌تر از ۲ درصد كار مي‌كردند.

  به‌دنبال آن مهندسان به طراحي و ساخت موتورهاي پربازده‌تر علاقه‌مند شدند. در همين دوران بود كه رودلف كلاوزيوس، فيزيكدان آلماني مفهوم انتروپي را به جهان معرفي كرد.

فرض كنيد يك زلزله‌ي شديد اتفاق مي‌افتد و كل اتاق شما زير و رو مي‌شود! در اين حالت انتظار داريد كه جزوه رايگان‌هاي داخل قفسه‌ي جزوه رايگانخانه‌تان در اطراف پراكنده شوند يا به‌صورت مرتب روي ميز مطالعه‌تان قرار بگيرند؟ طبيعتا احتمال اول بر مبناي شهود شدني‌تر است و احتمال دوم، حتي ممكن است احمقانه به انديشه متخصصين برسد!

پيش از اين گفته شد كه انتروپي شاخصي براي اندازه‌گيري ميزان پخش و انتشار انرژي است. يك انرژي انباشته راه‌هاي زيادي براي آزاد شدن دارد. يك فنجان چاي جديد را در انديشه متخصصين بگيريد كه در معرض دماي اتاق قرار گرفته است. اگر يك لحظه قانون دوم ترموديناميك را فراموش كنيد، مي‌توانيد اين احتمال را بپذيريد كه امكان جديد‌تر شدن چاي داخل فنجان هم وجود دارد!

در واقع از نقطه انديشه متخصصين آماري انرژي ناشي از برخوردهاي مولكولي داخل فنجان مي‌تواند متمركز شده و چاي را جديد‌تر كند. اما اين احتمال عددي يك روي چند تريليارد است! زيرا راه‌هاي آزاد شدن انرژي بيشتر از متمركز شدن آن است.خودتان را به‌عنوان بخشي از اين سيستم در انديشه متخصصين بگيريد. تمايل‌تان به خواندن يك جزوه رايگان بيشتر است يا تماشاي يك ويديوي كوتاه در اينستاگرام؟ در حالت طبيعي و خود به خود، انرژي شما متمايل به آزاد شدن طي يك مسير ساده‌تر را دارد از اين رو گزينه‌ي دوم محتمل‌تر است. گزينه‌ي اول هم بعيد نيست اما نياز به تمركز انرژي دارد كه از انديشه متخصصين آماري احتمال وقوع آن كم‌تر است.

در يك تحليل آماري مي‌توان ثابت كرد  كه تعداد حالت‌‌هاي بي‌نظمي يك سيستم بسيار بيشتر از حالت‌هاي منظم آن است؛ بنابراين هيچ نيروي مرموزي، سيستم‌ها را به سمت انتروپي بيشتر سوق نمي‌دهد. بنابراين افزايش انتروپي تنها از ديد آماري محتمل‌تر است. به همين دليل، انتروپي پيكان زمان ناميده مي‌شود و شاخصي براي تشخيص گذشت زمان است.

براي درك بهتر اين موضوع دو كميت انرژي و انتروپي را با هم مقايسه مي‌كنيم. انتروپي از جنس انرژي نيست. در ابتداي مطلب گفته شد كه انتروپي شاخصي براي اندازه‌گيري تمايل انرژي به انتشار است؛ اين واقعيت را طور ديگري هم مي‌توان بيان كرد. انتروپي، فعاليت‌هاي تصادفي در يك سيستم را اندازه‌گيري مي‌كند. در اينجا، منظور از تصادفي، وحشي بودن انرژي است كه خود به خود مهار نشده و به كار فيزيكي تبديل نمي‌شود. در واقع، انتروپي معياري براي اندازه‌گيري انرژي تلف شده است! اندازه‌گيري بخشي از انرژي كه به كار تبديل نمي‌شود. ضمن اينكه انتروپي چگونگي توزيع و انتشار انرژي را در جهان مشخص مي‌كند.

مقدار انرژي جهان بدون هيچ كم و زياد شدني، ثابت است؛ اما مسيرهايي كه اين انرژي آزاد مي‌شود، در حال تغيير است. آزاد شدن انرژي‌هاي انباشته معادل افزايش انتروپي خواهد بود. در جهان، انرژي‌هاي انباشته‌ي زيادي وجود دارد كه هنوز دست بشر به آن‌ها نرسيده است. در كنار سوخت‌هاي فسيلي كه جزو انرژي‌هاي تجديدناپذير طبيعت هستند، منابع انرژي عظيمي در جهان وجود دارد كه هنوز آن‌ها را به كار نگرفته‌ايم و امكان استفاده از آن‌ها وجود دارد. جدا از تمايل انرژي به آزاد شدن، گذر زمان با آزاد شدن حجم بالاتري از انرژي‌ همراه خواهد بود كه باعث روند رو به افزايش انتروپي خواهد شد.

قانون دوم ترموديناميك‌ با تمام هياهويش فقط يك جمله دارد: انتروپي جهان در حال افزايش است!  اين قانون با تمام خلاصه و مختصر بودنش، معناي عميقي دارد و كمك بزرگي به درك ما از نحوه‌ي عملكرد فرآيندها در جهان هستي مي‌كند. براي مثال اين قانون به ما توضيح مي‌دهد، چرا يك قابلمه‌ي جديد پس از مدتي سرد مي‌شود، چرا بدن ما حتي در هواي سرد هم گرم باقي مي‌ماند، چرا بنزين خودروي ما را راه مي اندازد و پرسش‌هاي بي‌شماري كه به‌صورت روزمره درگير آن‌ها هستيم.  در واقع، قانون دوم ترموديناميك، اصل اساسي صنايع شيميايي است كه در نيمي از قرن گذشته، مردم دنيا را از گرسنگي نجات داده است؛ توليد دارو، كودهاي شيميايي و توليدات ديگري كه به بقاي طولاني‌تر بشر در زمين كمك كرده‌اند.

قانون دوم ترموديناميك مي‌گويد كه انرژي در جهان مادي، به هر شكلي كه باشد، يا پراكنده مي‌شود يا گسترش پيدا خواهد كرد.  بنابراين انتروپي ميزان خود به خود بودن فرآيندها را به‌صورت كمي اندازه‌گيري مي‌كند و مشخص مي‌كند كه در يك دماي به‌خصوص، چه مقدار انرژي، آزاد شده است. به بيان ديگر، قانون دوم ترموديناميك بيان مي‌كند كه هر فرايند در جهتي پيش مي‌رود كه انتروپي آن در سيستم افزايش پيدا كند.

موارد مختلفي مي‌توانند بر انتروپي يك سيستم تأثيرگذار باشند. در حالت كلي انتروپي تابعي از حجم و دما است و افزايش هر دوي اين‌ها باعث افزايش انتروپي خواهد شد.با دادن گرما به يك سيستم، (براي مثال يك محفظه‌هوا) دماي آن افزايش پيدا مي‌كند و به‌دنبال افزايش دما، تحرك يا همان انرژي جنبشي مولكول‌هاي سيستم هم بيشتر خواهد شد؛ بنابراين تعداد برخوردهاي مولكولي افزايش پيدا كرده و آمادگي سيستم براي انتشار انرژي‌اش بيشتر مي‌شود؛ در اين حالت مي‌توان، انتظار كار هم از سيستم داشت. چنانچه يك پيستون به سيستم متصل باشد، انرژي حرارتي مي‌تواند باعث حركت آن شود. (جرقه‌ي انقلاب صنعتي!)

با اين حال، فقط بخشي از اين گرما باعث حركت پيستون مي‌شود و قسمت عمده‌ي آن صرف افزايش برخوردهاي مولكولي خواهد شد. حجم سيستم  هم يكي از عوامل تأثيرگذار بر افزايش انتروپي است. همان‌طور كه در مثال اتاق مرتب و اتاق نامرتب گفته شد، سيستمي كه حجم بيشتري دارد، مكان‌هاي بيشتري هم براي حضور مولكول‌ها خواهد داشت و مولكول‌ها موقعيت‌هاي بيشتري براي جابه‌جايي دارند؛ در نتيجه افزايش حجم يك سيستم به افزايش انتروپي منجر خواهد شد.

زمان همواره در حال جريان است و فقط يك جهت رو به جلو دارد. به اين ترتيب، هر آينده‌اي را به سمت گذشته مي‌برد. آرتور ادينگتون، ستاره شناس بريتانيايي، اين رفتار زمان را پيكان زمان ناميده است؛ در واقع همين حركت نامتقارن زمان است كه دنياي ما را به سمت تكامل سوق مي‌دهد؛ به‌اين ترتيب، از آغاز آفرينش تا بيگ‌بنگ و پايان جهان، روالي قابل توجيه است.

اگر روال هستي به اين شكل نبود، طبيعتا جهان به شكلي كه اكنون مي‌شناسيم، وجود نداشت. بدون پيكان زمان، از هيچ كهكشان و حياتي خبري نبود. ضمن اينكه مرگ و نابودي هم وجود نداشت؛ زيرا ديگر جرم و انرژي در حال تبادل نبودند. از اين رو، مفهوم انتروپي و متخصصد آن در قانون دوم ترموديناميك، جالب توجه است؛ زيرا اين مفهوم مي‌تواند بين گذشته و آينده تمايز ايجاد كرده و جهت زمان را مشخص كند.

مي‌دانيم، مقدار انرژي انباشته شده و پخش شده در جهان، محدود است و در نهايت اين دو مقدار به يك تعادل خواهند رسيد. در يك حالت تعادل كامل، تمام انرژي انباشته شده به انرژي آزاده شده تبديل مي‌شود و هيچ انرژي ديگري وجود ندارد؛ بنابراين در اين شرايط، ستاره‌اي تشكيل نمي‌شود، واكنشي روي نمي‌دهد و حياتي شكل نمي‌گيرد. به اين ترتيب آنچه باقي مي‌ماند، يك جهان سوت و كور خواهد بود! بنابراين، شايد بد نباشد توجه ويژه‌تري به انرژي‌هاي زندگي خود كنيم.