What is entropy? - Jeff Phillips

المترجم: Nawal Sharabati المدقّق: Hani Eldalees

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

هناك مفهوم مهم بالنسبة إلى الكيمياء والفيزياء.

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

يساعدُ في شرح لِمَ تذهبُ العمليات الفيزيائية في اتجاه واحد وليس في الآخر

why ice melts,

لماذا يذوبُ الثلج

why cream spreads in coffee,

ولماذا تنتشرُ القشدة في القهوة

why air leaks out of a punctured tire.

ولماذا يتسربُ الهواء خارج الإطار المثقوب

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

إنها الإنتروبيا (مقياس الطاقة المُشتتة) ويصعبُ ملاحظتها وفهمها.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

يتمُ وصف الإنتروبيا في معظم الأحيان كمقياس للخلل والفوضى.

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

هذه هي صورة مناسبة، ولكنها للأسف خادعة.

For example, which is more disordered -

على سبيل المثال، أيهما أكثر اختلالًا

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

كوب من الثلج المسحوق أم كأس من الماء بدرجة حرارة الغرفة؟

Most people would say the ice,

سيقول معظم الناس الثلج

but that actually has lower entropy.

ولكن في الحقيقة أن لدى الثلج إنتروبيا أقل.

So here's another way of thinking about it through probability.

لذلك، ههنا طريقة أخرى للتفكير حولها من خلال الاحتمالية.

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

قد تكون معّقدة لفهمها، ولكن خذ وقتك لاستيعابها

and you'll have a much better understanding of entropy.

وسيكون لديك فهم أفضل لمفهوم الإنتروبيا.

Consider two small solids

افحص هاتين المادتين الصلبتين الصغيرتين

which are comprised of six atomic bonds each.

والتي تتكون كل واحدة منهما من ستة روابط ذرية.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

في هذا النموذج، تتخزن الطاقة في كل مادة صلبة في الروابط.

Those can be thought of as simple containers,

ويمكنُ التفكير فيها كحاويات بسيطة.

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

التي تحتفظُ بوحدات الطاقة غير القابلة - للتجزئة والمعروفة باسم كوانتا (الكَم)

The more energy a solid has, the hotter it is.

فكلما كان لدى المادة الصلبة طاقة أكثر، كلما كانت حارّة أكثر.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

تبين أن هناك طرقًا عديدة جدًا يمكنُ فيها للطاقة أن تتوزع

in the two solids

في المادتين الصلبتين

and still have the same total energy in each.

ولا يزالُ لدى كلٍ منهما نفس مجموع الطاقة.

Each of these options is called a microstate.

يُسمى كل من هذين الخَيارين مايكروستات (الحالة الانتقالية)

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

فلكل ست كوانتا من الطاقة في المادة "أ" واثنتين في المادة "ب"

there are 9,702 microstates.

هناك 9,702 مايكروستات.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

بالتأكيد، هناك طرق أخرى يمكننا فيها ترتيب ثماني كونتا من الطاقة.

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

على سبيل المثال، يمكن أن تكون كل الطاقة في المادة "أ" وليس في المادة "ب".

or half in A and half in B.

أو نصفها في "أ" ونصفها في "ب".

If we assume that each microstate is equally likely,

إذا افترضنا بأن كل مايكروستات هو على الأرحج متساوٍ

we can see that some of the energy configurations

يمكننا رؤية أن بعض توزيع الطاقة

have a higher probability of occurring than others.

لديها احتمال أكبر للحدوث أكثر من الأخرى

That's due to their greater number of microstates.

ويعودُ ذلك إلى العدد الكبير من المايكروستات.

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

الإنتروبيا هو مقياس مباشر لكل احتمالية توزيع الطاقة.

What we see is that the energy configuration

ما نراه هو أن توزيع الطاقة

in which the energy is most spread out between the solids

في المادة حيث الطاقة هي أكثر انتشارًا بين المواد الصلبة

has the highest entropy.

لها إنتروبيا أعلى.

So in a general sense,

لذلك وفي المعنى العام

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

يمكن التفكير بالإنتروبيا كمقياس لانتشار الطاقة.

Low entropy means the energy is concentrated.

تعني الإنتروبيا المنخفضة بأن الطاقة مركزة

High entropy means it's spread out.

وتعني الإنتروبيا العالية بأنها منتشرة.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

لرؤية لِمَ الانتروبا مفيدة لشرح العمليات التلقائية

like hot objects cooling down,

مثل المواد الساخنة التي تبرد

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

نحتاجُ للنظر في النطام الديناميكي حيثُ تتحرك الطاقة.

In reality, energy doesn't stay put.

في الحقيقة، لا تبقى الطاقة ساكنة.

It continuously moves between neighboring bonds.

تتحرك باستمرار بين الروابط المجاورة.

As the energy moves,

وكما تتحرك الطاقة

the energy configuration can change.

يمكن أن تتغير ترتيب وتوزيع الطاقة.

Because of the distribution of microstates,

بسبب توزيع الميكروستات

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

يوجد احتمال 21% بأن المنظومة ستكون لاحقًا في التوزيع

in which the energy is maximally spread out,

حيث الطاقة منتشرة لأقصى حد

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

ويوجد أحتمال 13% أن المنظومة ستعودُ إلى نقطة البداية

and an 8% chance that A will actually gain energy.

وإحتمال 8% أن المادة "أ" ستكسبُ طاقة فعلًا.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

مرةً أخرى، نرى ذلك بسبب أن هناك طرقًا أكثر لتشتت الطاقة

and high entropy than concentrated energy,

وإنتروبيا عالية أكثر من تركيز الطاقة

the energy tends to spread out.

تميلُ الطاقة للانتشار.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

لهذا السبب إذا وضعت مادة ساخنة بجانب مادة باردة

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

ستسخن الباردة وتبرد الساخنة.

But even in that example,

حتى مع هذا المثال

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

يوجد احتمال 80% أن المادة الساخنة ستسخن أكثر.

Why doesn't this ever happen in real life?

لماذا لا يحدث ذلك أبدًا في الواقع؟

It's all about the size of the system.

يعودُ الأمر كله حول حجم المنظومة.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

لدى موادنا الإفتراضية ستة روابط فقط في كلِ منهما.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

دعنا نرفع المواد الصلبة إلى 6,000 رابط و 8,000 وحدة من الطاقة

and again start the system with three-quarters of the energy in A

ونبدأ بتشغيل المنظومة مجددًا مع ثلاثة ارباع من الطاقة في المادة أ

and one-quarter in B.

وربع في المادة ب.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

نجدُ الآن أن فرصة المادة "أ" للكسب التلقائي للمزيد من الطاقة

is this tiny number.

هو هذا العدد الضئيل جدًا.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

كما هو مألوف، لدى المواد اليومية العديد والكثير من المرات جزئيات أكثر من هذه.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

فرصة المادة الساخثة في العالم الحقيقي بأنها ستزداد سخونة

is so absurdly small,

هو احتمال صغير تافة لا يذكر

it just never happens.

إنه مجرد لا يحدثُ مطلقًا.

Ice melts,

يذوب الثلج

cream mixes in,

وتختلطُ القشدة

and tires deflate

ويفرغُ الهواء من الإطارات

because these states have more dispersed energy than the originals.

لأن لدى هذه الحالات طاقة مشتتة أكثر من الأصلية.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

لا يوجد هناك قوة غامضة تدفع المنظومة اتجاه إنتروبيا عالية.

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

إنها مجرد الإنتروبيا العالية هي دائمًا أكثر إحصائيًا على الأرجح.

That's why entropy has been called time's arrow.

لهذا السبب دُعيت الأنتروبيا "سهم الزمن".

If energy has the opportunity to spread out, it will.

إذا كان لدى الطاقة فرصة للانتشار، فإنها ستنتشر.