آنتروپی: نیروی نامرئی حاکم بر مرگ جهان + ویدئو

بر اساس این دیدگاه ،هنگامی که گروهی از اتمها توسط منبع انرژی خارجی مانند خورشید هدایت می شوند و با منبع گرما ،مانند جو احاطه می شوند ،به تدریج خود را به گونه ای تجدید ساختار می کند که انرژی بیشتری را بیشتر پخش می کند. از آن به بعد ،تحت شرایط خاص ،ماده به طور غیرقابل انکاری ویژگی های مرتبط با زندگی را به دست می آورد.

با این حال ،آنتروپی با مرگ گرمایی جهان نیز همراه بوده است. در اینجا همه آنچه شما باید در مورد آنتروپی در ترمودینامیک و چگونگی تأثیر آن بر جهان و در نهایت ،ما بدانید ،آمده است.

آنتروپی جهان چیست؟
در حالی که آنها در فیزیک یکسان نیستند ،فکر کردن در مورد نظریه آشوب و نحوه ارتباط آن با آنتروپی و در نهایت تأثیر آنتروپی بر جهان ممکن است تا حدودی مفید باشد.

طبق نظریه آشوب ،در تصادفی ظاهری سیستم های آشفته و پیچیده ،الگوهای زیربنایی و به هم پیوستگی وجود دارد. اگر شرایط اولیه و این الگوهای اساسی را می شناسید ،می توانید بی نظمی های بعدی را که در آینده رخ می دهد پیش بینی کنید. به عبارت دیگر – هرج و مرج آنقدرها هم آشفته و تصادفی نیست که به نظر می رسد.

در ابتدایی ترین شکل ،آنتروپی به عنوان اندازه گیری انرژی حرارتی در یک سیستم ،بر واحد دما ،که برای انجام کارهای مفید در دسترس نیست ،تعریف می شود. از آنجا که کار از حرکت منظم مولکولی به دست می آید ،آنتروپی نیز معیاری از اختلال مولکولی یا تصادفی بودن یک سیستم است.

نه تنها فیزیک ،بلکه بسیاری از رشته ها این مفهوم را مفید دانسته اند ،از جمله شیمی ،زیست شناسی ،تغییرات آب و هوایی ،جامعه شناسی ،اقتصاد ،نظریه اطلاعات و حتی تجارت.

اما بیایید به فیزیک و به طور خاص به قوانین اساسی ترمودینامیک پایبند باشیم.

قانون صفر ترمودینامیک ،قانون تعادل حرارتی است. این بیان می کند که اگر دو سیستم مستقل در تعادل حرارتی با یک سیستم سوم باشند ،در این صورت آنها نیز با یکدیگر در تعادل حرارتی هستند. به این معنی که اگر A = B و B = C باشد ،A = C خواهد بود.

این امر به راحتی در زندگی واقعی قابل مشاهده است. وقتی یک لیوان آب سرد را به یک لیوان آب گرم نزدیک می کنید. آنها حرارت را از طریق دیواره گرمایی خود مبادله می کنند تا زمانی که هر دو با دمای اتاق به تعادل حرارتی برسند.

اولین قانون ترمودینامیک استفاده از قانون حفظ انرژی در فرآیندهای ترمودینامیکی است.

قانون حفاظت از انرژی فرض می کند که انرژی را نمی توان ایجاد یا نابود کرد ،بلکه فقط می توان تغییر یا انتقال داد. این امر از طریق کار و حرارت در مورد یک سیستم ترمودینامیکی جدا انجام می شود. به همین دلیل است که فرمول اولین قانون ترمودینامیک ΔU = Q – W است ،جایی که ΔU تغییر در انرژی داخلی سیستم است ،Q حرارتی است که به آن اعمال می شود و W کاری است که سیستم بر روی آن انجام می دهد. محیط.

قانون دوم ترمودینامیک نیز به عنوان قانون آنتروپی شناخته می شود زیرا این مفهوم را به عنوان سطح بی نظمی سیستم معرفی می کند. با حرف S نشان داده شده است

در هر فرآیند مقدار مشخصی انرژی وجود دارد که نمی تواند به کار تبدیل شود. در عوض ،گرما می شود. گرما بی نظمی یا آنتروپی سیستم جدا شده را افزایش می دهد. و از آنجا که همیشه درجاتی از انرژی غیرقابل استفاده وجود دارد که به گرما تبدیل می شود ،قانون دوم ترمودینامیک ثابت می کند که همیشه افزایش آنتروپی در سیستم های جدا شده وجود خواهد داشت.

تغییر در آنتروپی ΔS برابر است با انتقال حرارت ΔQ تقسیم بر دمای محیط : T: ΔS = ΔQ / T

سومین قانون ترمودینامیک بیان می کند که با نزدیک شدن دما به صفر مطلق ،آنتروپی یک سیستم به یک مقدار ثابت نزدیک می شود. اگر دمای سیستم صفر مطلق باشد (پایین ترین حد در مقیاس دمای ترمودینامیکی) ،آنتروپی نیز صفر خواهد بود.

چه کسی مفهوم آنتروپی را مطرح کرد؟
مفهوم آنتروپی علیرغم کاربردهای آن در رشته های مختلف ،ریشه در فیزیک دارد. لازار کارنو ،ریاضیدان فرانسوی ،هنگام مطالعه حفاظت از انرژی مکانیکی در کار خود مبانی تعادل و حرکت (1803) ،پیشنهاد کرد که شتاب و ضربه قطعات متحرک در یک ماشین نشان دهنده “تلفات لحظه فعالیت” است. “لحظه فعالیت” کارنو با مفهوم فعلی کار در ترمودینامیک قابل مقایسه است. به طور کلی ،در هر فرآیند طبیعی ،گرایش ذاتی به اتلاف انرژی مفید وجود دارد.

دانشمندان دیگر در مورد این “ضرر” تحقیق کردند و در نیمه پایانی قرن نوزدهم ،آنها اشاره کردند که این یک ضرر واقعی نیست بلکه یک تغییر است. این مفهوم حفاظت از انرژی است که راه را برای اولین قانون ترمودینامیک هموار کرد. دانشمندانی مانند جیمز ژول ،جولیوس مایر ،هرمان هلمهولتز و ویلیام تامپسون (همچنین معروف به لرد کلوین) همگی برای کشف این مفهوم اثری تولید کردند.

اما اصطلاح آنتروپی از کار فیزیکدان آلمانی رودولف کلاسیوس بیرون آمد که اکنون یکی از بنیانگذاران ترمودینامیک محسوب می شود.

در دهه 1850 ،وی بیانیه قانون دوم ترمودینامیک را در رابطه با پمپ حرارتی ارائه کرد. بیانیه کلاسیوس بر این واقعیت تأکید می کند که ساختن دستگاهی که بر روی چرخه کار می کند و هیچ اثری جز انتقال حرارت از بدن سردتر به بدن گرمتر ایجاد نمی کند ،غیرممکن است.

در دهه 1860 ،او کلمه آنتروپی را پس از کلمه یونانی به معنای تبدیل یا نقطه عطف ،برای اشاره به از دست دادن برگشت ناپذیر گرما ،ابداع کرد. او آن را به عنوان تابعی از حالت در یک چرخه ترمودینامیکی ،به ویژه چرخه کارنو توصیف کرد ،یک چرخه نظری که توسط پسر لازاره کارنو ،سادی کارنو ،طراحی شده است.

در دهه 1870 ،لودویگ بولتزمن ،فیزیکدان و فیلسوف اتریشی ،تعریف آنتروپی را مجددا تصور کرد و با مکانیک آماری تطبیق داد. نزدیک به آنچه که این اصطلاح در حال حاضر به آن اشاره می کند ،این آنتروپی را به عنوان اندازه گیری همه ریزحالت های ممکن در سیستمی که وضعیت ماکروسکوپی آن مورد مطالعه قرار گرفته است ،توصیف می کند. چگونه می توان همه ویژگی های قابل مشاهده آن را دوباره تنظیم کرد؟ از چند جهت؟ این سوالات شامل مفهوم بی نظمی است که اساس یک مفهوم آنتروپی است.

این با فرمول S = k ln Ω نوشته شده است ،جایی که S آنتروپی است ،K ثابت بولتزمن است (1.38064852 × 10-23 متر مربع 2 کیلوگرم s-2 K-1) ،و Ω کمیت ،تعداد ریزحالت های ممکن است.

آیا جهان در حالت آنتروپی قرار دارد؟
در قرن نوزدهم ،روپرت کلاسیوس همچنین استنباط کرد که انرژی جهان ثابت است و آنتروپی آن به مرور زمان افزایش می یابد.

بر اساس رایج ترین مدل برای آغاز جهان ،همه فضا و زمان توسط بیگ بنگ ایجاد شده است ،رویدادی که حدود 13.8 میلیارد سال پیش روی داده است. این نظریه معتقد است که قبل از این ،جهان یک نقطه بسیار ریز ،بسیار داغ و متراکم بود ،شبیه به تکینگی ،که از آن کل همه چیزهایی که در اطراف خود می بینیم ایجاد شده است.

بله ،آنتروپی زیادی باید وجود داشته باشد تا این اتفاق بیفتد. با این حال ،اگر به افزایش مداوم آنتروپی در این سالها فکر کنیم ،می توان نتیجه گرفت که آنتروپی جهان باید در حال حاضر بسیار بیشتر باشد. در حقیقت ،آنتروپی جهان امروز تقریباً یک چهارصد میلیون برابر بزرگترین انفجار بزرگ محاسبه شده است.

برای برخی کیهان شناسان ،این را می توان با ایده زمان آنتروپیک توضیح داد. از آنجا که قانون دوم ترمودینامیک می گوید آنتروپی یک سیستم جدا شده می تواند افزایش یابد ،اما کاهش نیابد ،آنتروپی جهت خاصی را برای زمان نیاز دارد که گاهی اوقات پیکان زمان نیز نامیده می شود. بنابراین ،اندازه گیری آنتروپی راهی برای تشخیص گذشته از آینده است.

سیاهچاله ها دارای غلظت عظیمی از جرم هستند که میدان گرانشی فوق العاده ای را برای آنها تأمین می کند. بنابراین آنها اجازه می دهند که تعدادی از ریزحالتها وجود داشته باشد. در این زمینه ،استفان هاوکینگ نظریه پردازی کرد که سیاهچاله ها در نزدیکی افق رویداد خود تابش حرارتی ساطع می کنند. این تابش هاوکینگ ممکن است منجر به از دست دادن جرم و در نهایت تبخیر سیاهچاله ها شود.اما به یاد داشته باشید که سیاهچاله ها هنوز از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می کنند که می گوید آنتروپی همیشه تمایل به افزایش دارد. بنابراین آنها جرم بیشتری جمع کرده و با دیگر سیاهچاله ها ادغام شده و به سیاه چاله های بزرگ تبدیل می شوند. و هنگامی که آنها سرانجام پوسیدند ،تشعشع هاوکینگ تولید شده توسط سیاه چاله های در حال پوسیدگی دارای همان تعداد آرایش حالت ممکن است مانند خود سیاه چاله سابق. بر اساس این دیدگاه ،جهان اولیه به دلیل تعداد کمتر یا بسیار کوچکتر سیاهچاله از نظر آنتروپی کم بود.

آیا محدودیتی برای آنتروپی در جهان وجود دارد؟
همانطور که در مورد تمایل آنتروپی به افزایش صحبت می کنیم ،قوانین ترمودینامیکی نیز بر وضعیت حداکثر آنتروپی دلالت دارد.

در زندگی روزمره ،وقتی قهوه ما در فنجان خود سرد می شود ،می توانیم این را مشاهده کنیم. وقتی قهوه به دمای اتاق می رسد به این معنی است که با محیط تعادل حرارتی پیدا کرده است. آب جوش مورد استفاده برای تهیه قهوه دارای تعداد زیادی اتم برانگیخته بود ،اما سرعت آنها کاهش یافت و در نهایت به حداکثر آنتروپی خود برای آن سیستم رسید.

تعادل ترمودینامیکی حالت ساکن است که بدون “کمک” – ورودی انرژی برگشت پذیر نیست. قهوه باید با افزودن انرژی دوباره گرم شود ،مانند قرار دادن آن روی اجاق گاز یا در مایکروویو. با این حال ،ما هیچ راهی برای وارد کردن انرژی به جهان پس از رسیدن به تعادل حرارتی نداریم. در نهایت ،ارزشهای یکسان در همه جا اتخاذ می شود.

با دمای ثابت و پایدار در سراسر کیهان ،دیگر انرژی برای انجام کار باقی نمی ماند ،زیرا آنتروپی به حداکثر میزان خود می رسید. همه این فرضیه ها نظریه مرگ گرمایی جهان را تشکیل می دهند. این نظریه به عنوان انجماد بزرگ نیز شناخته می شود زیرا در این سناریو ،آنتروپی جهان بطور مداوم افزایش می یابد تا به حداکثر مقدار برسد. در این روز سرنوشت ساز ،تمام گرمای جهان ما به طور یکنواخت توزیع می شود و جایی برای انرژی قابل استفاده نمی گذارد.

با این حال ،این تنها یک نظریه در مورد سرنوشت نهایی جهان است. نظریه های دیگر نشان می دهند که انرژی موجود در ماده تاریک ،جهان را به انقباض و گرم شدن دوباره سوق می دهد و منجر به چیزی شبیه به یک انفجار بزرگ جدید می شود.

آنتروپی می تواند بدون نقض قانون دوم ترمودینامیک تا زمانی که در جاهای دیگر سیستم افزایش یابد ،کاهش یابد. به هر حال ،قانون دوم ترمودینامیک نمی گوید که آنتروپی نمی تواند در قسمتهای خاصی از سیستم کاهش یابد ،بلکه تنها آنتروپی کل سیستم تمایل طبیعی برای افزایش دارد.

با این وجود ،آنتروپی کلی جهان کاهش نمی یابد. همانطور که در بالا گفته شد ،آنتروپی تا زمانی که به حداکثر میزان خود نرسد و منجر به مرگ گرمایی شود ،افزایش می یابد. این حالت ثابت از تعادل ترمودینامیکی است که آنتروپی نه تنها در حداکثر خود است بلکه ثابت نیز هست ،و تا زمانی که ورودی انرژی وجود نداشته باشد که سیستم را دوباره فعال کند وجود نخواهد داشت.

سپس چرخه می تواند خود را تکرار کند. با انجام این کار جدید ،انرژی اضافی ،بخشی از انرژی قادر به انجام کار نخواهد بود که به گرما تبدیل می شود. این امر باعث افزایش مجدد آنتروپی سیستم می شود. اما این انرژی از کجا می آید؟ اگر وجود داشته باشد ،لپتون ها و فوتون های باقی مانده منجر به تعامل می شوند؟

با این حال ،ما برای دیدن بخشی از این روند آنجا نخواهیم بود. اگرچه تصور این که همه فعالیتها در جهان روزی متوقف می شود ،یعنی پایان جهان ،و همه چیز دیگر ،ترسناک است ،دانشمندان معتقدند که مرگ حرارتی در حدود 10100 سال رخ می دهد. بنابراین می توانیم مدتی دیگر آرام باشیم.