آنتروپی چیست؟ قانون دوم ترمودینامیک کجاست؟ و من اینجا چکار دارم؟ (وقتی عصر پاییزی از خواب بیدار میشی و نمیدونی تو کدوم سیاره ای)… 🙂
خب از شوخی که بگذریم باید اول بپرسیم که آنتروپی چیست؟
آنتروپی در بسیاری از متون با عنوان بی نظمی معرفی شده که تعریف بدی هم نیست اما علمی هم نیست. در حقیقت برای تعریف آنتروپی ما به چیزی بیش از این نیاز داریم. پس این گونه تعریف می کنیم که آنتروپی معیاری از پخش انرژی و یا ذرات درون یک سیستم معین می باشد.
اما خود کلمه پخش چه معنایی دارد؟ پخش ذرات را که می دانیم؛ اما پخش انرژی یعنی چه؟
فرض کنید که یک مول گاز درون یک محفظه داشته باشیم؛ ذرات گازی، هر کدام مقداری انرژی دارند و همچنین در برخورد های مداوم با یکدیگر نیز تبادل انرژی می کنند. فرض کنید که حالا گوشه ای از سیستم را توسط یک المنت ساده گرم کنیم. آیا دو ثانیه بعد از روشن کردن المنت، تمام محیط دمای برابری دارد؟
قطعا نه؛ مدت زمانی طول می کشد تا این گرمای داده شده در تمام سیستم پخش شده و دمای همه نقاط برابر شود. پس در ابتدا گر چه پخش ذرات بسیار خوب است (گاز تمام محفظه را پر کرده است) اما پخش انرژی خوب نیست؛ پس از مدت زمانی مشخص (زمانی که همه محفظه یک دما داشته باشد) حالا علاوه بر پخش ذرات، سیستم ما در پخش انرژی هم به بهترین حالتش رسیده است.
خب این چه ربطی به آنتروپی داشت؟
آنچه باعث شد تا همه نقاط سیستم همدما شود، در واقع خود خود آنتروپی بود. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، هر فرآیندی در یک سامانه منزوی با افزایش آنتروپی همراه است.
سامانه منزوی چیست؟ سامانه ای که با محیط خودش نه تبادل ماده داشته باشد و نه تبادل انرژی کند. مثلا جهانی که در آن زندگی می کنیم یک سامانه ایزوله است. چون مقدار انرژی در کل جهان ثابت است پس هیچ تبادل انرژی با جای دیگر ندارد (از کجا میگی؟ از قانون اول ترمودینامیک). از طرف دیگر، با هیچ جای دیگری هم تبادل ماده ندارد (چون همه جهان خودشه دیگه، وقتی میگیم کل جهان یک سامانه منزوی هست، حالا بیاد با کجا تبادل ماده کنه؟). پس مثال بسیار خوبی از یک سامانه ایزوله به حساب می آید.
بنابراین بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی جهان (که یک نوع سامانه ایزوله هم هست) همواره و طی هر فرآیندی در حال افزایش است. تا به اینجا با کلیت مفهوم آنتروپی و قانون دوم ترمودینامیک آشنا شدیم؛ حالا نوبت عمیق تر شدن است.
بر اساس ریاضیات حاکم بر ترمودینامیک، برای آنتروپی داریم:
یعنی تغییر آنتروپی یک سامانه برابر با تغییر گرمای سامانه تقسیم بر دمای مطلق (دمای کلوین) آن سامانه در طی تبادل گرمایی است. این تغییر گرمای سامانه می تواند در شرایط مختلفی انجام شود، در حجم ثابت، در فشار ثابت یا در فشار و حجم متغیر، ترکیبی از این ها و…
اما جالب اینجاست که هیچ یک از این ها اهمیتی ندارد؛ چون تفاوتی ایجاد نمی کند. چرا؟ چون آنتروپی یک تابع حالت است و مقدار آن فقط به حالت آغازی و پایانی فرآیند وابسته بوده و به مسیر انجام فرآیند بستگی ندارد. بنابراین فرآیند به هر طریقی که انجام شود اگر به حالت پایانی یکسانی منجر شود، هیچ فرقی برای مقدار آنتروپی ایجاد شده ندارد.
مثلا اگر یک قطعه آهن را در کوره القایی تا 1000 درجه سانتی گراد گرم کنیم یا آن را با استفاده از شعله داغ کنیم و به دمای 1000 درجه برسانیم، میزان آنتروپی که ایجاد شده فرقی نداشته و برابر خواهد بود؛ چون حالت اولیه (آهن در دما و فشار محیط) نهایی (آهن 1000 درجه در دما و فشار محیط) یکسان بود.
محاسبه آنتروپی فرمول های مختلفی دارد که در مقالات دیگری به آن خواهیم پرداخت.
