الفيزياء

تعريف كلمة “الإنتروبيا” وطبيعتها

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الإنتروبيا طبيعة الإنتروبيا الفيزياء

صاغ كلاوسيوس كلمة "الإنتروبيا" وحدد معناها في ضوء الحرارة ودرجة الحرارة، وتخطى تفكيره هذه الحدود حين بيّن أن إنتروبيا الكون تميل إلى التوسع المتزايد، لكن كلاوسيوس لم يحلل معنى وجود الإنتروبيا. ما المعنى الدقيق للإنتروبيا؟

تمثل الإنتروبيا إحدى خواص المادة نظراً إلى إمكانية قياسها في المختبرات، لكنها ليست شيئاً نستطيع رؤيته أو لمسه.

 

طبيعة الإنتروبيا

تنطوي كلمة "حرارة" على معنى أكثر تحديداً في مصطلحات الديناميكا الحرارية، بالمقارنة مع استخدامها في حياتنا اليومية.

وعندما نتحدث عن "الحرارة" في ممارساتنا اليومية ربما نقصد إما الدفء أو درجة الحرارة، وليس بالضرورة ارتباطها بالتعريف العلمي المتمثل في انتقال الطاقة من درجة الحرارة المرتفعة إلى درجة الحرارة المنخفضة. وبصورة مماثلة أيضاً.

اكتسبت كلمة "إنتروبيا"، أهمية في اللغة الانجليزية تتعدى معناها الأصلي المرتبط بالديناميكا الحرارية، إذ تُستخدم  كلمة "إنتروبيا" أحياناً كمرادف لكلمة "فوضى" أو "عدم الانتظام"، لكن استخدام هذه الكلمة في مجال الديناميكا الحرارية يشير دائماً إلى قياس انتشار الطاقة عند درجة حرارة محددة، فتسخين وعاء على الموقد، مثلاً، يؤدي إلى انتشار الحرارة في كل أنحاء المطبخ.

 

وتقيس الإنتروبيا انتشار هذه الطاقة أثناء انتقالها نحو الخارج من أحد الأماكن المركزة. وتستخدم عملية خلط أوراق اللعب أحياناً كمثالٍ على زيادة الإنتروبيا.

لكن مثالاً كهذا يمكن أن يكون مضللاً، إذ إنه على الرغم من تحول ورق اللعب من وضع الانتظام إلى العشوائية، لا يطرأ أي تغير على طاقة مجموعة ورق اللعب نفسها.

تنشأ الإنتروبيا أصلاً في ترتيب المادة المجهري (الدقيق جداً) الموجود على شكل أجسام صلبة أو سوائل أو غازات، تتكوّن المادة من ذرّات مترابطة عادة مع ذرّات أخرى كي تكوّن مجموعات يُطلق عليها اسم "جزيئات"، وتكون هذه الجزيئات في حالة حركة دائمة وتتصادم فيما بينها وتغيّر اتجاهاتها.

 

وقد شبّه علماء القرن التاسع عشر حركة جزيئات الغاز بلعبة البلياردو، حيث ترتد الكرات عن بعضها بعضاً، حيث إن كل كرة من كرات البلياردو في هذه المقارنة في حالة حركة دائمة وتنتقل بسرعة فائقة.

ولقد ربط الفيزيائيون فيما بعد بين الإنتروبيا والاحتمالية، وعلى سبيل المثال، إذا رمينا دزينة من كرات البلياردو على طاولة، فإن هناك ملايين الترتيبات المختلفة التي يمكن أن تستقر فيها هذه الكرات.

ومن المحتمل أيضاً أن تشكل هذه الكرات، مثلاً، ترتيباً يكون على أربعة صفوف متناسقة، لكن استقرارها ضمن ترتيب عشوائي يُعدّ أكثر احتمالاً؛ فإذا قمنا بتوزيع مجموعة كرات بلياردو مرتبة بشكل منتظم، لابدّ أنها ستتبعثر ضمن شكل عشوائي.

 

غير أن النموذج أو الشكل العشوائي قد ينتج عنه نموذج عشوائي آخر؛ لذلك من غير المحتمل أبداً أن تتخذ جزيئات الغاز المرتدة فيما بينها في الفضاء ترتيباً منتظماً من تلقاء ذاتها.

ما علاقة كل ذلك بالإنتروبيا في ضوء تعريفها كمقياس لمدى انتشار الطاقة؟ عندما تتصادم الجزيئات، فإنها تتبادل الطاقة فيما بينها، وما لم يكن النظام معزولاً فإن الجسم يتبادل الطاقة مع الوسط المحيط ومع الجزيئات الأخرى الموجودة داخل النظام.

وإذا قمنا بتسخين الجسم تزيد طاقته، كما يحدث عند وضع الوعاء على الموقد،؛ لأن الجزيئات التي يتكوّن منها الوعاء تبدأ الحركة بسرعة، ثم تنشر الطاقة الإضافية المنبعثة عن الحرارة بين الجزيئات الأخرى التي تتحرك ببطء في وسطها المحيط، ما يؤدي إلى زيادة الإنتروبيا ككل خلال تلك العملية.

 

يمكن أن يطرأ تغير على الإنتروبيا من دون أن يرافقه أي تغير في درجة الحرارة، ومن المعلوم أن عمليات التحول تتمثل بتغيرات الطور من إحدى حالات المادة (الصلبة أو السائلة أو الغازية) إلى حالة أخرى.

وتتصف جزيئات المواد الصلبة بتراصها الشديد مع بعضها بعضاً ضمن ترتيب متين ومتماسك يحدّ كثيراً من حركة هذه الجزيئات، على عكس جزيئات السوائل التي تستطيع التحرك بحرية أكبر، لكنها تظل في حالة تفاعل فيما بينها، أما جزيئات الغاز فتتحرك بحرية ملحوظة، إضافة إلى ميلها للانتشار، وتتغير الإنتروبيا خلال تغيرات الطور مع أن درجة الحرارة تظل ثابتة.

إذا أضفنا حرارة إلى مكعب جليد، ينصهر هذا المكعب عند درجة الصفر السيليزي (0C)، ويتبخر عند درجة (C100 سيليزية).

 

تزيد الإنتروبيا عند هاتين الدرجتين (100 C  و 0C) أثناء تحول الماء من الحالة الصلبة إلى السائلة، ومن السائلة إلى الغازية، أما سبب ذلك فيكمن في انتشار الطاقة بصورة متزايدة أثناء تغيرات الطور.

وكما لاحظنا تنتشر السوائل على نحو أوسع من انتشار الأجسام الصلبة، في حين يفوق انتشار الغازات انتشار السوائل.

تُعدّ تغيّرات الطور أحد الأمثلة على كيفية تبدل الإنتروبيا من دون أن يكون مصحوباً بتغير في درجة الحرارة، كما تميل الإنتروبيا إلى التزايد في كل الحالات كي تتمكن الجزيئات من الحركة بحرية والانتشار ضمن مساحة أكبر.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
Loading cart ⌛️ ...
إغلاق
إغلاق