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.

مجلة مدار
‫‪حذف الأمراض من حمضنا النووي
ثارت ولادة أول طفلين معدلين جينياً في العالم ضجة كبيرة عام 2018. فقد عُدل الحمض النووي DNA للفتاتين التوأم أثناء عمليات التلقيح الصناعي في المختبر باستخدام تقنية تحرير الجينات كريسبر، وذلك بهدف حمايتهن من فيروس نقص المناعة البشرية HIV. وتستخدم تقنية كريسبر إنزيماً بكتيرياً لاستهداف وقطع تسلسل محدد في حمض نووي. وقد وُضع الباحث الصيني هي جيانكوي He Jiankui، الذي قاد العمل، في السجن لأنه تجاهل إرشادات السلامة ولم يحصل على موافقة واضحة. لكن في ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪اللقاحات القابلة للأكل..
اللقاحات القابلة للأكل تعد بديلا مناسبا للحصول على لقاحات آمنة وفعالة، وهي لقاحات تحتوي على مولد ضد صالح للتناول دول عدة تراهن على الطحالب الدقيقة المعدلة وراثيًا لتطوير لقاح لمرض كوفيد-19 صالح للأكل مستخدمة الهندسة الوراثية د. طارق قابيل أستاذ في كلية العلوم - جامعة القاهرة مصر
     منذ استشراء جائحة فيروس كورونا المستجد المسبب لجائحة كوفيد-19، هرعت كثير من المؤسسات الطبية وحكومات بعض الدول إلى تكثيف البحوث ودعم الدراسات الهادفة ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪إنشاء مستشفيات جديدة في ووهان
ع إبلاغ المستشفيات القائمة عن نقص في الأسرّة بسبب زيادة الطلب الناجم عن انتشار فيروس كورونا السريع، قررت الصين في 24 يناير البدء ببناء مستشفيات جديدة. بعد أقل من أسبوعين، فتحت أبواب المرافق الطبية الجديدة لاستقبال أول المرضى.
أنشئ مستشفيان جديدان في ووهان، عاصمة مقاطعة هوبي، في الأسبوع الأول من شهر فبراير. واستغرق الأمر أقل من أسبوعين للانتقال من وضع حجر الأساس في الموقع إلى البدء باستقبال أول المرضى. والمستشفيان الجديدان - مستشفى ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لماذا تُسبب السمنةُ تفاقمَ مرض كوفيد-19؟
غطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر ومؤسسة هيسينغ-سيمونز Pulitzer Center.
بقلم:     ميريديث وادمان
ترجمة:  مي بورسلي
 
في ربيع هذا العام، بعد أيام من ظهور أعراض تشبه أعراض الإنفلونزا والحمى، وصل رجل إلى غرفة الطوارئ في المركز الطبي بجامعة فيرمونت Vermont Medical Center. كان شابا، في أواخر الثلاثينات من عمره، وكان يعشق زوجته وأطفاله الصغار. وكان يتمتع بصحة جيدة، وقد كرّس ساعات لا نهاية لها في إدارة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪الفيروس التاجي يثير التخمينات حول موسم الإنفلونزا
قلم:    كيلي سيرفيك
ترجمة: مي بورسلي
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر  Pulitzer Center ومؤسسة هايسنغ-سيمونز  Heising-Simons Foundation.
في شهر مارس 2020، بينما كان نصف الكرة الجنوبي يستعد لموسم الإنفلونزا الشتوي أثناء محاربة مرض كوفيد-19 COVID-19، وضعت شيريل كوهين Cheryl Cohen -عالمة الأوبئة، وزملاؤها في المعهد الوطني للأمراض المعدية National Institute for Communicable Diseases بجنوب إفريقيا اختصار: ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪كيف تقاوم العدوى باستعادة شباب جهازك المناعي
قلم:    غرايام لاوتون
ترجمة: محمد الرفاعي
اغسل يديك بعنايةٍ لعشرين ثانية، غطّ عطستك بمرفقك، تجنب ملامسة وجهك، ابقَ على مسافة مترٍ عن الآخرين، وكملجأ أخير ٍ، اعزل نفسك بعيداً عن الجميع لمدة أسبوعٍ مع ما تحتاج إليه من أغراض. وإذا أردت أن تتجنب فيروس كورونا المستجد، فكل هذه أفكارٌ جيدةٌ. لكن، في نهاية المطاف، خطُ الدفاع الذي يقف بينك وبين الإصابة بكوفيد 19 Covid-19 هو جهازك المناعي.
نعلم أن الجهاز المناعي يَضْعُفُ عندما نتقدم في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪أشـــيــاء عــــلـــمـــــــني إيـاهـا العِلمُ
ندما تُعلّم أجهزة الحاسوب حل المعادلات المعقدة أو تشغيل الخوارزميات، تحاكي عملياتها الطرق التي يعمل بها العقل البشري. ومن ثم، يمكننا أن نتعلم مزيداً عن أنفسنا من الآلات. تتحدث الدكتورة كاميلا بانغ Camilla Pang مع إيمي باريت Amy Barrett عن الكيفية التي تستخدم بها العلم لفهم العالم من حولها ...
تصوير: ستيف سايرز Steve Sayers
شُخِّص اضطراب طيف التوحد Autism spectrum disorder لدى الدكتورة كاميلا بانغ عندما كانت في الثامنة من عمرها. وقد ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪أليكسا، كم مرة تصغين إلينا؟
ستيقظ المساعدون الصوتيون مثل أليكسا Alexa من أمازون، أسيستنت Assistant من غوغل، وسيري Siri من آبل، وكورتانا Cortana من مايكروسوفت. عن طريق الخطأ ويبدؤون بتسجيل ما يسمعونه وهو أمر قد يتكرر حتى 19 مرة في اليوم. يعرف أي شخص يستخدم مساعداً رقمياً أن لديه عادة ‘الاستيقاظ’، بإصدار صوت أو الإضاءة للإشارة إلى أنه يصغي، في الوقت الذي لا يجدر به أن يفعل ذلك. وتبحث الأنظمة عن عبارات رئيسية، أو ‘كلمات تنبيه’ مثل مرحباً غوغل أو سيري، قبل أن تشتغل وتبدأ ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪مهمة فوياجر والنقطة الزرقاء الباهتة: كيف التُقطت الصورة الأكثر شهرة في العلم
لدكتور ستيوارت كلارك عالم الفلك وعلم الكونيات
يسمونها النقطة الزرقاء الباهتة Pale Blue Dot. قد تكون واحدة من الصور الأقل إثارة للدهشة التي يُحتمل أنك شاهدتها، لكن في الوقت نفسه، ربما تكون الأكثر أهمية. والشيء الوحيد ذو الأهمية حقيقةً في الصورة هو بكسل أزرق واحد باهت. ومع ذلك، فإن الضوء الملتقط في ذلك البكسل يأتي من الأرض. إنه ما يبدو عليه كوكبنا كله من مسافة نحو ستة بلايين كم أربعة بلايين ميل. وقد ألهمت عالم الكواكب الشهير كارل ساغان Carl ... (قراءة المقال)