ما هو مبدأ الانتروبي

الرئيسية » فيزياء » ترموديناميك » ما هو مبدأ الانتروبي

ما هو مبدأ الانتروبي ببساطةٍ!؟ قد يكون وقع لفظ “إنتروبي”حديثًا على أذنيك، وقد يثير فضولك لتبحث عنه لتعرف أكثر، لتبسيط الأمر، لذا سنطرح تعريفًا له قد يساعدك على استيعاب المبدأ.

تعريف مبدأ الانتروبي

يمكننا تعريف مبدأ الانتروبي وفق القانون الثاني في الترموديناميك على أنه مقياسٌ لمعرفة مدى اضطراب وعشوائية النظام الديناميكي الحراري، وبالتالي فإن قيمته تتغير بتغيّر كمية المادة الموجودة، فكلما زاد الاضطراب في الوسط وانتشرت جزيئات المادة في اتجاهاتٍ مختلفةٍ، زادت الانتروبيا، وكلما غدا النظام مرتبًا، انخفضت الانتروبيا. عادةً ما يُشار إلى الانتروبيا بالرمز S، كما أنها تُقاس بوحدة جول لكل وحدةٍ كلفينيةٍ (J/K).§

الانتروبيا في نظام معزول

يُشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه كلما زاد التوازن في نظامٍ معزولٍ، فإن الانتروبيا ستزداد، كيف ذلك؟ ربما يفيد المثال التالي:

إذا وضعت جسمًا باردًا بجوار جسمٍ ساخنٍ، ستنتقل الحرارة من الساخن إلى البارد، ومع مرور الوقت، سيستقر كلاهما عند نفس درجة الحرارة، والتي ستقل عن حرارة الجسم الساخن في الأصل، وستزيد عن حرارة الجسم البارد في الأصل، فيتحقق التوزان، وقياس مدى هذا التغير هو الانتروبي.

مثال آخر على الضغط، إذا كنت تستمع إلى نشرات الطقس صباحًا، فحتمًا سيتردد إلى أذنيك عبارة (منطقة الضغط المُنخفض) وهذه المناطق تتميز بالرياح القوية، هل سألت نفسك ما السبب في ذلك؟ ببساطةٍ؛ إن السوائل تنتقل من مناطق الضغط المرتفعة إلى مناطق الضغط المنخفض، فتتسبب في الرياح القوية، التي تشتهر بها مناطق الضغط المنخفض، وبالطبع يحدث هذا الانتقال للسوائل لإحداث التوازن بين المنطقتين، خاصةً وإن كانتا متجاورتين، مما يحقق التوزان، وإنّ قياس مدى التغير حتى يتحقق التوزان هو الانتروبي.§

أمثلة أخری على مبدأ الانتروبي

إذا أحضرت قطعةَ ثلجٍ وتركتها تذوب فإنّ حالة المادة ستتحول من الحالة الصلبة إلى السائلة، وإذا أخذت هذا السائل وقمت بغليه، فستتحول المادة للحالة الغازية، وبمجرد أن تتحول حالة المادة، فإنّ جزيئاتها ستكتسب طاقةً حيث ستُكسر الروابط التي كانت تربط هذه الجزيئات مع بعضها عندما كانت في الحالة الصلبة، ومن ثَمّ تكتسب الجزيئات السائلة طاقةً إضافيةً، ونفس الأمر يحدث عندما تحولت المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، فقد اكتسبت الجزيئات الغازية طاقةً إضافيةً.

لكن في نفس الوقت بدل أن كانت جزيئات المادة متجمعةً، فقد انتشرت بشكلٍ عشوائيٍّ غير مُنظمٍ، وهذا بالضبط هو مبدأ الانتروبي العام، فكلما زاد تفكك وانتشار المادة زادت العشوائية وزاد الانتروبي، وكلما كانت جزيئات المادة قريبةً متماسكةً انخفض الانتروبي.§

مثالٌ آخر لتبسيط الأمر الشمس والقمر، لابد وأنك على علمٍ بأن الشمس كبيرةٌ جدًا بالنسبة للقمر، وحرارة الشمس كبيرةٌ بالنسبة لحرارة القمر، فالقمر باردٌ والشمس مرتفعة الحرارة، هل لذلك علاقة بالانتروبي؟ الإجابة نعم، فحجم الشمس كبيرٌ مما يعني أن إمكانية حركة وعدم انتظام جزيئاتها كبيرٌ، فترتفع حرارتها فيزداد الإنتروبي، وذلك بخلاف القمر الذي يحوي على عددٍ صغيرٍ من الجزيئات فتبرد حرارته.

مؤسس مبدأ الانتروبي

إنه رودولف كلوسيوس عالم الفيزياء الألماني، وإليك نبذة مختصرة عنه. وُلد في 2 يناير عام 1822 م في بولندا، ودرس حتى وصل إلى المرحلة الجامعية، وتخرج متخصصًا في الفيزياء، ودخل في سلك التعليم وتم تعيينه أستاذًا للفيزياء في كلية الهندسة بجامعة برلين عام 1950 م، وهو نفس العام الذي قدم فيه فرضية قانون الديناميكا الحرارية الثاني، مؤكدًا على ما يُسمى الانتروبي والذي ينص على أنه لا يمكن أن تنتقل الحرارة من جسمٍ باردٍ إلى جسمٍ ساخنٍ، ومؤكدّا على ما يُسمى مبدأ الانتروبي والذي يعني تبديد الطاقة المتاحة.

بعد ذلك، ارتقى رودالف إلى درجة أستاذ للفيزياء في جامعة فورتسبورغ في عام 1867 م، وفي جامعة بون في عام 1869 م، وتُوفي في 24 أغسطس عام 1888 م.§

أهمية الانتروبي في حياتنا

  • أظهرت نتائج إحدى الدراسات أن اتحاد الخلايا الحية مع بعضها في شكلٍ مُنتظم (الانتروبي) لتشكيل الأنسجة، لتكون في صحةٍ جيدةٍ، يحدث نتيجة الكيمياء الحيوية ونتيجةً لهذا الاكتشاف فقد فتح باب الأمل أمام العلماء ليستطيعوا إنتاج أنسجةٍ وأعضاءَ صناعيةٍ اعتمادًا على أسس الديناميكا الحرارية.
  • وجد العلماء أنّ عملية تكوين الأعضاء تلزم تكوين مجموعاتٍ من الأنسجة، ولتكوين الأنسجة يلزم تكوين خلايا متجاورة، ولكي تجتمع هذه الخلايا وتكون محاذيةً لبعضها، فإن ذلك يحدث نتيجةً لأسسٍ كيميائيةٍ حيويةٍ أو نتيجةً لمُحاذاة الخلايا لبعضها، والتي تعمل على تجميع هذه الخلايا مع بعضها في نظامٍ مرتبٍ (الانتروبي) مما يساعد هذه الخلايا في تكوين الأنسجة التي تكون الأعضاء.§