حل راز ۱۲۰ ساله آنتروپی؛ چالش استاد فیزیک با اینشتین

1

پس از ۲۰ سال بازبینی دفترچه‌های قدیمی و پارادوکس‌های علمی، «خوزه مارتین-اولایا» استاد دانشگاه سویل، موفق شد یکی از قدیمی‌ترین گره‌های حل‌نشده در حوزه آنتروپی و ترمودینامیک را باز کند.

اثباتی تازه بر پایه قانون دوم ترمودینامیک

مارتین-اولایا نشان داد که تغییرات آنتروپی باید زمانی ناپدید شوند که دما به سمت صفر مطلق میل می‌کند. این نتیجه به‌طور مستقیم از قانون دوم ترمودینامیک ناشی می‌شود، بدون آن‌که نیاز به مفروضات جداگانه باشد.

آنتروپی و قوانین ترمودینامیک

مفهوم آنتروپی به زبان ساده

آنتروپی نشان‌دهنده تمایل طبیعی سیستم‌ها برای حرکت از نظم به بی‌نظمی است.
قانون دوم ترمودینامیک به‌وضوح بیان می‌کند که در هر سیستم بسته، آنتروپی همواره در طول زمان افزایش می‌یابد.

مثال ساده: اتاق خوابتان را تصور کنید؛ اگر مرتبش نکنید، خودبه‌خود به هم می‌ریزد. این همان آنتروپی در عمل است.

چرا هیچ ماشینی ۱۰۰٪ کارآمد نیست؟

به دلیل آنتروپی، بخشی از انرژی همیشه به‌صورت گرمای غیرقابل استفاده از دست می‌رود. بنابراین هیچ ماشینی نمی‌تواند کاملاً بدون اتلاف انرژی عمل کند.

قانون سوم ترمودینامیک چه می‌گوید؟

بر اساس این قانون، هرچه یک سیستم به صفر مطلق نزدیک‌تر شود، آنتروپی آن نیز به سمت صفر میل می‌کند. در چنین شرایطی، نظم کامل حاکم می‌شود، حداقل به‌صورت نظری.

یادآوری قانون اول ترمودینامیک

قانون اول می‌گوید انرژی نه به‌وجود می‌آید، نه از بین می‌رود؛ فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. ولی بخش مفید آن، به‌دلیل افزایش آنتروپی، به‌تدریج کاهش می‌یابد.

والتر نرنست و قوانین آنتروپی

قضیه گرمایی نرنست در سال ۱۹۰۵

والتر نرنست اعلام کرد که در دمای صفر مطلق، اختلاف آنتروپی سیستم‌ها از بین می‌رود. این ایده پایه‌ای شد برای شیمی دماپایین.

اما…

نبود اثبات ترمودینامیکی

با وجود پذیرش گسترده، این نظریه هرگز اثباتی قاطع در چارچوب ترمودینامیک نداشت. این شکاف مفهومی، برای دهه‌ها محل سؤال باقی ماند.

پرسش‌های بدون پاسخ

• آیا ممکن است مواد خاصی از این قاعده مستثنی باشند؟
• آیا تعادل‌های شیمیایی و حافظه‌های الکترونیکی بر پایه فرضی نادرست بنا شده‌اند؟

اینشتین، آنتروپی و قانون سوم

دیدگاه انتقادی اینشتین

در سال ۱۹۰۶، آلبرت اینشتین به شکافی در نظریه نرنست اشاره کرد. او معتقد بود ماشینی که نرنست با استفاده از مخزن صفر کلوین فرض کرده بود، هرگز نمی‌تواند ساخته شود. بنابراین این قضیه نمی‌تواند از قانون دوم مشتق شده باشد.

شکل‌گیری «قانون سوم»

نویسندگان کتاب‌های درسی پس از آن، مفهوم «قانون سوم» را به‌عنوان یک اصل مستقل معرفی کردند: آنتروپی در صفر مطلق به یک مقدار ثابت، غالباً صفر، میل می‌کند.

اما این قانون سوم، شکاف مفهومی بین موتورهای گرمایی عادی و شرایط غیرقابل دستیابی دمایی ایجاد کرد.

موتور فرضی و اثبات نهایی

استفاده از مفاهیم نظری موتور کارنو

مارتین-اولایا از زبان دقیق قانون دوم و بیان کارنو استفاده کرد: اگر یک موتور برگشت‌پذیر گرما از مخزن دریافت کند، باید این تبادل گرما با دما نسبت مستقیم داشته باشد.

تعریف موتور مجازی

موتور فرضی‌ای در نظر گرفته شد که:

• گرما از مخزن سرد دریافت نمی‌کند
• گرما از مخزن گرم هم وارد نمی‌شود
• بنابراین، هیچ کاری نیز انجام نمی‌دهد

اما حسابداری انرژی در این چرخه فرضی، همچنان معتبر باقی می‌ماند.

نتیجه‌گیری نهایی

بر اساس این مدل، تمام انتقالات آنتروپی در صفر کلوین به صفر میل می‌کنند. این نتیجه فقط بر قانون دوم و دماسنج کارنو تکیه دارد و از مفروضات مربوط به ظرفیت گرمایی صرف‌نظر می‌کند.

بازتعریف صفر مطلق

تفسیر جدید از صفر مطلق

صفر مطلق دیگر صرفاً نقطه‌ای نیست که در آن حرکت مولکولی متوقف می‌شود یا فشار گاز صفر می‌شود. بلکه نقطه‌ای است که چرخه کارنو در آن به یک خط تبدیل می‌شود. در این حالت، هیچ مساحتی در نمودار باقی نمی‌ماند و بنابراین، هیچ کاری نیز انجام نمی‌شود.

یکتایی آنتروپی در صفر کلوین

اگر دو حالت مختلف در یک دما آنتروپی متفاوتی داشته باشند، می‌توان مسیری تعریف کرد که بدون تبادل گرما، کار تولید کند. این موضوع قانون دوم را نقض می‌کند. بنابراین آنتروپی در صفر کلوین باید برای هر ماده‌ای یکتا باشد.

اهمیت این کشف در علم و فناوری

برای یخچال‌های کوانتومی و خنک‌کننده‌های حالت جامد

محققانی که در طراحی دستگاه‌های خنک‌کننده با دمای نزدیک به صفر کار می‌کنند، حالا اطمینان دارند که همیشه به دو مخزن گرمایی نیاز دارند، حتی با پیچیده‌ترین روش‌های کنترل کوانتومی.

تقویت پایه‌های ترمودینامیک شیمیایی

با این اثبات، پایگاه داده‌های واکنش‌های شیمیایی دقیق‌تر شده و خطاهای جزئی در مدل‌سازی باتری و سلول سوختی کاهش می‌یابند.

حذف یک اصل از آموزش

مارتین-اولایا می‌گوید: قانون دوم در خود مفهوم یکتایی آنتروپی در صفر مطلق را دارد و مفاهیمی مانند «ظرفیت گرمایی صفر» صرفاً پیوستی هستند، نه اصولی مستقل. دانشجویان حالا می‌توانند یک اصل را از فهرست حفظی خود حذف کنند.

دیدگاه جدید به تعریف دما

گذشته: تکیه بر شاخص‌های مکانیکی

در گذشته، رسیدن به صفر مطلق با نشانه‌هایی مانند فشار یا انرژی جنبشی سنجیده می‌شد. اگر گازی فشار نداشت، فرض می‌شد به پایین‌ترین دما رسیده است.

امروز: منطق درونی چرخه کارنو

مارتین-اولایا رویکردی متفاوت اتخاذ کرده: تعریف صفر کلوین بر اساس چرخه کارنو که در آن هیچ گرمایی منتقل نمی‌شود، هیچ آنتروپی‌ای جا‌به‌جا نمی‌شود، و کار انجام نمی‌گیرد.

نتیجه: تعریف جهانی و رسمی

این دیدگاه نیازی به شاخص‌های تجربی ندارد و تعریفی جهان‌شمول و رسمی از کف دما ارائه می‌دهد.

آموزش نسل جدید با درک دقیق‌تر

مارتین-اولایا معتقد است ارائه این اثبات به دانشجویان، آن‌ها را به درک بهتر و دقیق‌تری از قوانین ترمودینامیک می‌رساند. گرچه مقاومت‌هایی از سوی نهادهای آکادمیک وجود دارد، اما این دیدگاه ممکن است برای نسل جدید فیزیکدانان که به‌دنبال سازگاری درونی نظریات هستند، قابل قبول باشد.

این مطالعه در مجله The European Physical Journal Plus منتشر شده است.