ما هو رواتب المهندسين في فرنسا ؟

 الانتروبي

كثير منا يسمع بمصطلح الانتروبي الذي يرمز له ب s هو أحد المصطلحات ذات الأهمية الكبيرة في الديناميكا الحرارية لكن ما هو الانتروبي

تعريف الانتروبي

الانتروبي هو مقياس الفوضى داخل نظام ما. وهو إحدى الخصائص الواسعة للديناميكا الحرارية، بمعنى أن قيمتها تتغير باختلاف مقدار المادة الموجودة داخل النظام.

توضيح فكرة الانتروبي 

لنوضح فكرة الانتروبي أكثر على سبيل المثال لدينا زجاجة بها عصير كسرت وتناثر الزجاج و العصير على الأرض بالتالي النظام في حالة فوضى هل يمكن ترتيبه و إعادة ترتيب الزجاجة المنكسرة واعادة العصير إليها الإجابة من الصعب فعل تلك العملية 

في مثالنا التالي ليكن لدينا مادة صلبة ثم أصبح سائل ثم غازية 

ففي الحالة الصلبة تكون الجزيئات متراصة ومنتظمة ومرتبة وغير مبعثرة فالانتروبي قليل في هذه الحالة

اما الحالة السائلة نلاحظ حالة من الفوضى الطفيفة في للجزيئات وهنا يكون لدينا زيادة في الانتروبي عن الحالة السابقة 

اما الحالة الغازية نلاحظ اضراب بالجزيئات و حالة عشوائية كبيرة جدا وعدم انتظام و ترتيب بتلك الجزيئات 

ما هو تغير الانتروبي ΔS

تكلمنا سابقا عن الانتروبي وهو s ولكن الآن سنشرح مصطلح تغير الانتروبي    ΔS=s2_s1  والتي تعني فرق الانتروبي بين حالتين ممكن أن يكون الانتروبي موجب وممكن أن يكون سالب 

في النظام الذي شرحنا فيه زيادة الانتروبي الحالة البداية كانت صلبة والانتروبي فيها ضئيل  s1 وفي الحالة النهائية الغازية s2 أصبح الانتروبي كبير جدا أي أن الانتروبي موجب أي أن مقدار الفوضى ازداد ضمن النظام 

لو كانت الحالة البدائية هي الحالة الغازية s1 والحالة النهائية الحالة الصلبة  s2 سيكون الانتروبي سالب أي ان مقدار العشوائية انخفض و أصبح اكثر انضباطا 

والآن بعد شرحنا للانتروبي سندخل في الأمور الأكثر تعقيدا وتخصصا

الانتروبية وسهم الزمن 

لقدم قمنا بتعريف الانتروبي مسبقا بأنه تعريف عن حالة العشوائية لأي نظام في العالم بتالي 

تزداد إنتروبية نظام معزول مع مرور الزمن تلقائيا ، أي يمكن قياس مرور الزمن بمعرفة تغير الإنتروبية . ولكن بالنسبة إلى الأنظمة الترموديناميكية (الحرارية) الغير معزولة يمكن لأنتروبية النظام المفتوح أن تنخفض : وتوجد أنظمة عديدة تتغير فيها الانتروبيا وتقل مع الزمن ، مثل كأس من الشاي الساخن مع مرور الزمن تنخفض درجة الحرارة بتالي يؤدي لانخفاض الانتروبي. 

تطبيقات الانتروبي في النظم الحرارية

تعتبر قوانين الديناميكا الحرارية من أهم تطبيقات الانتروبي في النظم الحرارية :

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يؤكد أنه نظرًا لأن الحرارة هي نوع من الطاقة، فإن العمليات الديناميكية الحرارية تخضع لمبدأ الحفاظ على الطاقة، لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة الحرارية بهذه الطريقة، ومع ذلك، قد يتم نقلها من مكان إلى آخر وتغييرها من وإلى أشكال أخرى من الطاقة كالاتي؛

عندما تصبح المادة الصلبة سائلة، والسائل يصبح غازًا، تزداد الإنتروبي.

عندما يتجاوز عدد مولات المنتجات الغازية عدد المواد المتفاعلة، يرتفع الإنتروبي.

وهناك بعض الأشياء حول الإنتروبي التي تتحدى التوقعات ؛

البيضة غير المسلوقة تحتوي على إنتروبيا أكثر من البيضة المسلوقة، ذلك لأن البنية الثانوية للبروتين قد تم تشويهها (الألبومين)، حيث يتحول التركيب الحلزوني للبروتين إلى شكل ملفوف عشوائي.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يحتوي القانون الثاني للديناميكا الحرارية على عدة تعريفات تستند إلى مفاهيم الانتروبي ؛

من الناحية الديناميكية الحرارية، كل الأحداث التي تحدث بشكل طبيعي لا رجعة فيها.

من الناحية الديناميكية الحرارية، لا يمكن الانتقال الكامل للحرارة إلى العمل من دون حدوث فواقد لقدر معين من الطاقة.

التغيير في الكون الكلي يكون دائمًا إيجابيًا، ويكون إنتروبي النظام بالإضافة إلى إنتروبيا محيطه أكبر من الصفر.

∆Stotal =∆Ssurroundings+∆Ssystem >0

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، تقترب إنتروبيا أي مادة بلورية من الصفر، ذلك لأن البلورة عند الصفر المطلق لها ترتيب كامل، وحقيقة أن العديد من المواد لا تحتوي على إنتروبيا صفرية عند الصفر المطلق هي تقييد لهذه المعادلة، كصلبة زجاجية، وصلبة تحتوي على مزيج من النظائر.

معادلات حساب الإنتروبيا:

ثمة عدة طرق لحساب الإنتروبيا، لكنّ المعادلتين الأكثر شيوعًا هما المستخدمتان في قياس الإنتروبيا للعمليات العكوسية للديناميكا الحرارية، والعمليات متساوية درجة الحرارة.

إنتروبيا العمليات العكوسية:

توضع افتراضات معينة عند قياس إنتروبيا العمليات العكوسية، وعلى الأرجح أشهر هذه الافتراضات هو أن كل الإعدادات داخل النظام محتملة بشكل متساو، وهو ما قد لا يكون صحيحًا. وبأخذ النتائج المحتملة في الاعتبار، تساوي الإنتروبيا (S) ثابت بولتزمان مضروبًا في اللوغاريتم الطبيعي لعدد الحالات الممكنة (W).

S= kB In W

ثابت بولتزمان = 1.38065 * 10-23 جول/كلفن

 إنتروبيا العمليات متساوية درجات الحرارة:

يمكن الاستعانة بحساب التفاضل والتكامل لإيجاد تكامل dQ/T من الحالة المبدئية حتى الحالة النهائية. وهنا تمثل (Q) الحرارة، وتعبر (T) عن حرارة كلفن المطلقة للنظام. بصياغة أخرى، التغير في الإنتروبيا (ΔS) يساوي ناتج قسمة التغير في الحرارة (ΔQ) على درجة الحرارة المطلقة للنظام T

ΔS = ΔQ / T

الإنتروبيا والطاقة الداخلية:

إحدى أفضل المعادلات في الكيمياء الفيزيائية والديناميكا الحرارية تربط الإنتروبيا بالطاقة الداخلية للنظام على النحو التالي:

dU = T dS – p dV

هنا يعتبر التغير في الطاقة الداخلية dU ناتج ضرب الحرارة المطلقة T في التغير في الإنترُوبيا dS ناقص الضغط الخارجي P والتغير في الحجم dV.