انتروپی و مفهوم آن به زبان ساده

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.

در دوران مدرسه و دانشگاه، کتاب‌های درسی ما، انتروپی را به‌عنوان معیاری برای سنجش بی‌نظمی معرفی کرده‌اند و 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. انتروپی 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 انتروپی 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.

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 انتروپی 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 انتروپی را به جهان معرفی کرد.

فرض کنید یک زلزله‌ی شدید اتفاق می‌افتد و کل اتاق شما زیر و رو می‌شود! در این حالت انتظار دارید که کتاب‌های داخل قفسه‌ی کتابخانه‌تان در اطراف پراکنده شوند یا به‌صورت مرتب روی میز مطالعه‌تان قرار بگیرند؟ طبیعتا احتمال اول بر مبنای شهود شدنی‌تر است و احتمال دوم، حتی ممکن است احمقانه به نظر برسد!

پیش از این گفته شد که انتروپی شاخصی برای اندازه‌گیری میزان پخش و انتشار انرژی است. یک انرژی انباشته راه‌های زیادی برای آزاد شدن دارد. یک فنجان چای داغ را در نظر بگیرید که در معرض دمای اتاق قرار گرفته است. اگر یک لحظه قانون دوم ترمودینامیک را فراموش کنید، می‌توانید این احتمال را بپذیرید که امکان داغ‌تر شدن چای داخل فنجان هم وجود دارد!

در واقع از نقطه نظر آماری انرژی ناشی از برخوردهای مولکولی داخل فنجان می‌تواند متمرکز شده و چای را داغ‌تر کند. اما این احتمال عددی یک روی چند تریلیارد است! زیرا راه‌های آزاد شدن انرژی بیشتر از متمرکز شدن آن است.خودتان را به‌عنوان بخشی از این سیستم در نظر بگیرید. تمایل‌تان به خواندن یک کتاب بیشتر است یا تماشای یک ویدیوی کوتاه در اینستاگرام؟ در حالت طبیعی و خود به خود، انرژی شما متمایل به آزاد شدن طی یک مسیر ساده‌تر را دارد از این رو گزینه‌ی دوم محتمل‌تر است. گزینه‌ی اول هم بعید نیست اما نیاز به تمرکز انرژی دارد که از نظر آماری احتمال وقوع آن کم‌تر است.

در یک تحلیل آماری می‌توان ثابت کرد  که تعداد حالت‌‌های بی‌نظمی یک سیستم بسیار بیشتر از حالت‌های منظم آن است؛ بنابراین هیچ نیروی مرموزی، سیستم‌ها را به سمت انتروپی بیشتر سوق نمی‌دهد. بنابراین افزایش انتروپی تنها از دید آماری محتمل‌تر است. به همین دلیل، انتروپی پیکان زمان نامیده می‌شود و شاخصی برای تشخیص گذشت زمان 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.

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 انتروپی 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.

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 انتروپی 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 انتروپی آن در سیستم افزایش پیدا کند.

موارد مختلفی می‌توانند بر انتروپی یک سیستم تأثیرگذار باشند. در حالت کلی انتروپی تابعی از حجم و دما است و افزایش هر دوی این‌ها باعث افزایش انتروپی 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. (جرقه‌ی انقلاب صنعتی!)

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 انتروپی است. همان‌طور که در مثال اتاق مرتب و اتاق نامرتب گفته شد، 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.

زمان همواره در حال جریان است و فقط یک جهت رو به جلو دارد. به این ترتیب، هر آینده‌ای را به سمت گذشته می‌برد. آرتور ادینگتون، ستاره شناس بریتانیایی، این رفتار زمان را پیکان زمان نامیده است؛ در واقع همین حرکت نامتقارن زمان است که دنیای ما را به سمت تکامل سوق می‌دهد؛ به‌این ترتیب، از آغاز آفرینش تا بیگ‌بنگ و پایان جهان، روالی قابل توجیه است.

اگر روال هستی به این شکل نبود، طبیعتا جهان به شکلی که اکنون می‌شناسیم، وجود نداشت. بدون پیکان زمان، از هیچ کهکشان و حیاتی خبری نبود. ضمن اینکه مرگ و نابودی هم وجود نداشت؛ زیرا دیگر جرم و انرژی در حال تبادل نبودند. از این رو، مفهوم انتروپی و کاربرد آن در قانون دوم ترمودینامیک، جالب توجه است؛ زیرا این مفهوم می‌تواند بین گذشته و آینده تمایز ایجاد کرده و جهت زمان را مشخص کند.

می‌دانیم، مقدار انرژی انباشته شده و پخش شده در جهان، محدود است و در نهایت این دو مقدار به یک تعادل خواهند رسید. در یک حالت تعادل کامل، تمام انرژی انباشته شده به انرژی آزاده شده تبدیل می‌شود و هیچ انرژی دیگری وجود ندارد؛ بنابراین در این شرایط، ستاره‌ای تشکیل نمی‌شود، واکنشی روی نمی‌دهد و حیاتی شکل نمی‌گیرد. به این ترتیب آنچه باقی می‌ماند، یک جهان سوت و کور خواهد بود! بنابراین، شاید بد نباشد توجه ویژه‌تری به انرژی‌های زندگی خود کنیم.