تعریف آنتروپی

آنتروپی چیست؟
آنتروپی، اندازه گیری انرژی گرمایی یک سیستم در واحد دمایی است که برای انجام کار مفید غیر قابل دسترس است.

از آنجایی که کار از حرکت مولکولی منظم به دست می آید، مقدار آنتروپی نیز معیاری برای بی نظمی مولکولی یا تصادفی بودن یک سیستم است. مفهوم آنتروپی بینش عمیقی را در مورد جهت تغییر خود به خودی برای بسیاری از پدیده های روزمره فراهم می کند. معرفی آن توسط فیزیکدان آلمانی رودولف کلازیوس در سال 1850 نقطه برجسته فیزیک قرن نوزدهم بود.

ایده آنتروپی یک راه ریاضی برای رمزگذاری این مفهوم شهودی ارائه می دهد که کدام فرآیندها غیرممکن هستند، حتی اگر اصل بقای انرژی را نقض نکنند. به عنوان مثال، یک قطعه یخ که روی یک اجاق گاز داغ قرار می گیرد، مطمئناً ذوب می شود، در حالی که اجاق گاز خنک تر می شود.

چنین فرآیندی غیرقابل برگشت نامیده می شود زیرا هیچ تغییر جزئی باعث نمی شود که آب ذوب شده دوباره به یخ تبدیل شود در حالی که اجاق گاز داغ می شود. در مقابل، یک قطعه یخ که در یک حمام آب یخ قرار می گیرد، بسته به اینکه مقدار کمی گرما به سیستم اضافه شود یا از آن کم شود، یا کمی بیشتر آب می شود یا کمی بیشتر منجمد می شود.

چنین فرآیندی برگشت پذیر است زیرا فقط مقدار بی نهایت کوچکی گرما برای تغییر جهت آن از انجماد تدریجی به ذوب تدریجی مورد نیاز است.

به طور مشابه، گاز فشرده محصور شده در یک سیلندر می تواند آزادانه در اتمسفر گسترش یابد (یک فرآیند غیرقابل برگشت)، یا می تواند با فشار دادن یک پیستون متحرک در برابر نیروی مورد نیاز برای محدود کردن گاز، کار مفیدی انجام دهد. فرآیند دوم برگشت پذیر است زیرا تنها افزایش جزئی در نیروی بازدارنده می تواند جهت فرآیند را از انبساط به تراکم معکوس کند.

برای فرآیندهای برگشت پذیر، سیستم با محیط خود در تعادل است، در حالی که برای فرآیندهای برگشت ناپذیر اینطور نیست.

«کلازیوس» (Clausius) برای ارائه یک معیار کمی برای جهت تغییر خود به خودی، مفهوم آنتروپی را به عنوان روشی دقیق برای بیان قانون دوم ترمودینامیک معرفی کرد. کلازیوس قانون دوم را اینگونه بیان می کند که تغییر خود به خودی برای یک فرآیند برگشت ناپذیر در یک سیستم ایزوله (یعنی سیستمی که گرما را مبادله نمی کند یا بر روی محیط اطراف خود کار انجام نمی دهد) همیشه در جهت افزایش آنتروپی پیش می رود.

به عنوان مثال، بلوک یخ و اجاق گاز دو بخش از یک سیستم جدا شده را تشکیل می دهند که با ذوب شدن یخ، آنتروپی کل افزایش می یابد.