ما هي الإنتروبيا أو القصور الحراري

تدرس علوم الديناميكا الحرارية طرق انتقال الحرارة من جسمٍ لآخر وتنص قوانينها على أن الطاقة لا تفنى ولا تخلق من العدم بل يمكن تحويلها من شكلٍ لآخر، كما أن الإنتروبيا الخاصة ببلورةٍ مثاليةٍ عند الصفر المطلق تساوي الصفر تمامًا.

الإنتروبيا هي مصطلحٌ هامٌ في التحريك الحراري يدعونا للتأمل والدراسة العميقة لفهم الكثير من الظواهر الموجودة في هذا الكون وحياتنا اليومية، وأصل هذه الكلمة مأخوذٌ من اليونانية ومعناه التحول. وفي هذا المقال سنلقي نظرةً على مبدأ الإنتروبي وبعض الحقائق الهامة الخاصة به.

الإنتروبيا أو الإنتروبي هي مصطلحٌ علميٌّ هامٌّ ومفهومٌ أساسيٌّ في الكيمياء الفيزيائية، بالإضافة لتخصصه في مجالاتٍ أخرى. وهو جزءٌ من الديناميكا الحرارية، وهذا المفهوم هو مقياسٌ مباشرٌ لخاصية اضطراب النظام أو حالة عدم الانتظام والفوضى، فكلما زادت الانتروبي زادت الفوضى وكلما قلت الإنتروبيا قلت الفوضى.

بدأت فكرة الإنتروبيا في بداية القرن التاسع عشر وتطورت لتأخذ شكلًا أكثر انتظامًا بمعادلاتٍ رياضيةٍ وقوانين، حيث توصل العلماء إلى أن الانتروبي هي خاصيةٌ ترموديناميكةٌ تعبر عن معدل التوازن الحراري في أي نظامٍ. وقد نص هذا المبدأ على أن الحرارة لا يمكن أن تنتقل من جسمٍ باردٍ إلى ساخنٍ بشكلٍ تلقائيٍّ دون بذل عمل لإنجاز هذا التدفق، حيث تكون الفوضى في الجسم البارد أقل والجزيئات أكثر انتظامًا.

أما انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى البارد فيحدث بشكلٍ تلقائيٍّ حتى يتوازن الجسمان حراريًّا، ويمكن استخدام كامل كمية الحرارة التي يمتصها الجسم لإنجاز عملٍ، وتكون جزيئات الجسم الساخن في حالةٍ أكثر عشوائيةً. وعندما يبرد الجسم الساخن تنتظم الجزيئات كلما انخفضت درجة الحرارة، وهذا الانتظام والترتيب في الجزيئات ونقصان الفوضى يعبر عن نقصان الانتروبي.

ومن الطرق المستخدمة في حساب الانتروبي المعادلة التالية:

ΔS = ΔQ / T

أي أن التغير في الإنتروبيا لجسمٍ ما تساوي تغير التدفق الحراري مقسومًا على درجة الحرارة بالكلفن. كما ينص هذا المبدأ أيضًا على أن جميع العمليات الطبيعية تحدث بالاتجاه الذي يزيد من انتروبي النظام أو يحافظ عليه؛ فمثلًا عندما نأخذ وعاءَ ماءٍ ونضع فيه ملونَ طعامٍ سيكون الملون في البداية في منطقةٍ معينةٍ وبعد فترةٍ من الزمن سينتشر الملون داخل السائل مما يزيد من الفوضى، وزيادتها تحدث تلقائيًّا. أما إبقاء الملون داخل جزءٍ معينٍ من الوعاء فعملية لا تحدث بطريقةٍ تلقائيةٍ، وبالتالي العمليات تحدث باتجاهٍ واحدٍ فقط وتلقائيًّا عندما تحافظ على الانتروبي أو تزيد من الفوضى.

توجد العديد من الفرضيات التي يتوقع فيها بعض العلماء نهاية الكون بسبب استمرار ازدياد العشوائية التي تخلق نظامًا غير قادرٍ على إنجاز عملٍ مفيدٍ إلى أن يصبح كل شيءٍ له درجة الحرارة نفسها، وعند الوصول لهذه المرحلة يقال أن الكون قد مات حراريًّا.

سوف تزداد إنتروبي كتلة الجليد لدى ذوبانها، ومن السهل تمثيل زيادة الفوضى في الجملة. يتألف الجليد من جزيئات الماء المترابطة مع بعضها البعض في الشبكة البلورية، ومع ذوبان الجليد تكتسب الجزيئات مزيدًا من الطاقة لتبتعد عن بعضها بعضًا وتفقد بنيتها البلورية لتشكل سائلًا، وبالمثل فإن مرحلة التحول من السائل إلى الغاز كما في الماء إلى البخار تزيد من طاقة النظام، ويمكن أن تنخفض الطاقة عندما يتحول البخار إلى ماءٍ أو عندما يتحول الماء إلى ثلجٍ.

هناك عدة عواملَ تؤثر على مقدار الإنتروبيا في المنظومة، فعند زيادة درجة الحرارة سوف تزداد الانتروبي، ومن أبرز العوامل أيضًا: