What is entropy? - Jeff Phillips

آنتروپی چیست؟ - جف فیلیپس

Translator: Behdad Khazaeli Reviewer: sadegh zabihi

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

موضوعی حیاتی در شیمی و فیزیک وجود دارد.

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

که توضیح می‌دهد چرا فرایند‌های فیزیکی در یک جهت حرکت می‌کنند و نه از سوی دیگر:

why ice melts,

چرا یخ آب می‌شود،

why cream spreads in coffee,

چرا شیر در قهوه پخش می‌شود،

why air leaks out of a punctured tire.

چرا باد از یک لاستیک سوراخ خارج می‌شود.

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

نامش آنتروپی است، و بدبختانه فهمیدنش سخت است.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

آنتروپی معمولا به عنوان اندازه گیری بی نظمی تعریف می‌شود.

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

این تصویری ساده است، اما متاسفانه گمراه کننده.

For example, which is more disordered -

برای مثال، کدام بیشتر بی‌نظم است؟

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

فنجانی از یخ خرد شده یا لیوانی از آب در دمای اتاق؟

Most people would say the ice,

بیشتر مردم می‌گویند یخ،

but that actually has lower entropy.

اما در واقع آنتروپی آن کمتر است.

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

به شکل دیگری هم از طریق احتمالات می‌توان آن را تصور کرد.

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

ممکن است فهمیدنش سخت تر باشد، اما برای درکش به خود فرصت بده

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

تا فهم بسیار کاملتری از آنتروپی داشته باشی.

Consider two small solids

دو جسم جامد کوچک را در نظر بگیر

which are comprised of six atomic bonds each.

که هرکدام از شش پیوند اتمی تشکیل شده‌اند.

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

در این مدل، انرژی هر جسم در پیوند‌هایش ذخیره شده.

Those can be thought of as simple containers,

می‌شود آنها را مانند مخزن‌هایی ساده تصور کرد،

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

که می‌توانند واحد‌هایی از انرژی نامرئی به نام کوانتا را ذخیره کنند.

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

هرچقدر انرژی جسم بیشتر باشد، داغتر است.

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

مشخص شده که راه‌های بیشماری برای توزیع انرژی

in the two solids

در دو جسم جامد وجود دارد

and still have the same total energy in each.

تا هر کدام همان مجموع انرژی کلی را داشته باشند.

Each of these options is called a microstate.

هر کدام از این امکان‌ها یک ریز حالت نام دارد.

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

برای شش کوانتا انرژی در جامد A و دو کوانتا انرژی در جامد B،

there are 9,702 microstates.

۹۰۷۲ ریز حالت وجود دارد.

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

مسلماً، راه‌های دیگری برای مرتب کردن هشت کوانتا انرژی وجود دارد.

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

مثلا، تمام انرژی در جامد A باشد و چیزی در B نباشد،

or half in A and half in B.

یا نصفش در A و نصف دیگر در B،

If we assume that each microstate is equally likely,

اگر فرض کنیم هر ریز حالت با دیگری مشابه است،

we can see that some of the energy configurations

می‌توانیم ببینیم که بعضی از ترتیب‌های انرژی

have a higher probability of occurring than others.

نسبت به سایرین احتمال وقوع بیشتری دارند.

That's due to their greater number of microstates.

که به دلیل ریز‌حالت‌های بیشتر است.

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

آنتروپی سنجش مستقیم احتمال هر ترکیب انرژی است.

What we see is that the energy configuration

آنچه می‌بینیم این است که حالتی از انرژی

in which the energy is most spread out between the solids

که در آن انرژی بیشترین میزان توزیع میان دو جامد را داشته باشد

has the highest entropy.

حداکثر میزان آنتروپی را دارد.

So in a general sense,

پس بطور کلی،

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

می‌توان آنتروپی را به عنوان میزان توزیع انرژی تصور کرد.

Low entropy means the energy is concentrated.

آنتروپی کم یعنی انرژی متمرکز شده است.

High entropy means it's spread out.

آنتروپی زیاد یعنی پخش شده است.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

برای آنکه بفهمیم چرا آنتروپی برای تعریف فرآیند‌های خود به خودی

like hot objects cooling down,

مثل سرد شدن اجسام گرم مفید است،

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

باید ببینیم که در یک سیستم دینامیک انرژی به کجا حرکت می‌کند.

In reality, energy doesn't stay put.

در واقع، انرژی در یکجا نمی‌ماند.

It continuously moves between neighboring bonds.

دائما میان پیوندهای کناری حرکت می‌کند.

As the energy moves,

همینطور که انرژی حرکت می‌کند،

the energy configuration can change.

ترکیب انرژی می‌تواند تغییر کند.

Because of the distribution of microstates,

به دلیل توزیع ریز حالت‌ها،

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

٪۲۱ احتمال دارد که سیستم بعداً در حالت

in which the energy is maximally spread out,

توزیع حداکثر انرژی قرار گیرد،

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

٪۱۳ احتمال دارد به شکل اولیه برگردد،

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

و ۸٪ احتمال دارد که A درواقع انرژی دریافت کند.

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

دوباره، می‌بینیم که چون در مقایسه با تمرکز انرژی

and high entropy than concentrated energy,

راه‌های بیشتری برای پراکنده شدن انرژی و آنتروپی بیشتر وجود دارد،

the energy tends to spread out.

انرژی تمایل به پخش شدن دارد.

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

و به این دلیل است که اگر جسم داغی را در کنار جسمی سرد بگذاری،

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

آنکه سرد است گرم و آنکه گرم است سرد می‌شود.

But even in that example,

اما در همین مثال هم،

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

۸٪ احتمال دارد تا جسم گرم، گرمتر شود.

Why doesn't this ever happen in real life?

چرا این هیچوقت در دنیای واقعی اتفاق نمی‌افتد؟

It's all about the size of the system.

در کل دلیل آن اندازه سیستم است.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

اجسام فرضی ما هر کدام تنها شش پیوند داشتند.

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

بگذارید اجسامی را با ۶۰۰۰ پیوند و ۸۰۰۰ واحد انرژی در نظر گیریم،

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

و مجدداً سیستمی را بررسی کنیم که سه چهارم انرژی در A

and one-quarter in B.

و یک چهارم در B باشد.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

حالا می‌بینیم که احتمال آنکه A خود به خود انرژی بیشتری دریافت کند

is this tiny number.

عددی بسیار کوچک است.

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

اجسام آشنای روزمره اجزای بسیار بسیار بیشتری از این دارند.

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

احتمال اینکه جسم داغ در دنیای واقعی داغتر شود

is so absurdly small,

بی‌نهایت کوچک است،

it just never happens.

هیچوقت اتفاق نمی‌افتد.

Ice melts,

یخ آب می‌شود،

cream mixes in,

شیر ترکیب می شود،

and tires deflate

و لاستیک کم باد می‌شود

because these states have more dispersed energy than the originals.

چون این وضعیت‌ها انرژی پخش شده‌تری نسبت به حالت اول دارند.

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

هیچ نیروی مرموزی سیستم را به سوی آنتروپی بیشتر فشار نمی‌دهد.

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

تنها به این دلیل است که آنتروپی بیشتر تنها از دید آماری محتمل تر است.

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

به این دلیل است که آنتروپی پیکان زمان نامیده می‌شود.

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

اگر انرژی فرصتی برای پخش شدن پیدا کند، حتما این کار را می‌کند.