What is entropy? - Jeff Phillips

מה היא אנטרופיה? - ג'ף פיליפס

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Sigal Tifferet

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

יש מושג שחיוני לכימיה ופיזיקה.

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

הוא עוזר להסביר למה תהליכים פיזיים הולכים לכיוון אחד ולא לאחר:

why ice melts,

למה קרח נמס,

why cream spreads in coffee,

למה חלב מתפשט בקפה,

why air leaks out of a punctured tire.

למה אויר דולף מצמיג עם תקר.

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

זו אנטרופיה, וקשה להבינה.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

אנטרופיה מתוארת לעיתים קרובות כמידה של חוסר סדר.

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

זו תמונה נוחה, אבל היא מטעה.

For example, which is more disordered -

לדוגמה, מה יותר חסר סדר -

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

כוס של קרח כתוש או כוס עם מים בטמפרטורת החדר?

Most people would say the ice,

רוב האנשים יגידו שהקרח,

but that actually has lower entropy.

אבל יש לו למעשה אנטרופיה נמוכה יותר.

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

אז דרך אחרת לחשוב עליה זה דרך הסתברות.

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

זה אולי מסובך יותר להבנה, אבל קחו את הזמן להפנים את זה

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

ותהיה לכם הבנה הרבה יותר טובה של אנטרופיה.

Consider two small solids

חשבו על שני מוצקים קטנים

which are comprised of six atomic bonds each.

שמורכבים משישה קשרים אטומים כל אחד.

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

במודל הזה, האנרגיה בכל מוצק נאגרת בקשרים.

Those can be thought of as simple containers,

אפשר לחשוב עליהם כמיכלים פשוטים,

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

שיכולים להכיל יחידות בלתי ניתנות לחלוקה של אנרגיה שידועות כקוואנטה.

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

ככל שיש למוצק יותר אנרגיה, כך הוא חם יותר.

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

מסתבר שיש אין ספור דרכים לחלק את האנרגיה

in the two solids

בשני המוצקים

and still have the same total energy in each.

ושעדיין תהיה להם אותה כמות אנרגיה.

Each of these options is called a microstate.

כל אחת מהאופציות האלה נקראת מיקרו מצב.

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

עבור שש קוואנטות של אנרגיה במוצק א' ושתיים במוצק ב',

there are 9,702 microstates.

יש 9702 מיקרו מצבים.

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

כמובן, יש דרכים אחרות בהן ניתן לארגן את שמונה קוואנטות האנרגיה שלנו.

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

לדוגמה, כל האנרגיה יכולה להיות במוצק א' ואף אחת ב-ב',

or half in A and half in B.

או חצי ב א' וחצי ב-ב'.

If we assume that each microstate is equally likely,

אם אנחנו מניחים שכל מיקרו מצב סביר באותה מידה,

we can see that some of the energy configurations

אנחנו יכולים לראות שלכמה מסידורי האנרגיה

have a higher probability of occurring than others.

יש הסתברות גבוהה יותר מאשר אחרות.

That's due to their greater number of microstates.

זה בגלל שיש להן יותר מיקרו מצבים.

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

אנטרופיה היא מידה ישירה של הסתברות של כל סידור אנרגיה.

What we see is that the energy configuration

מה שאנחנו רואים זה שלסידור האנרגיה

in which the energy is most spread out between the solids

בו האנרגיה מפוזרת הכי הרבה בין המוצקים

has the highest entropy.

יש את האנטרופיה הכי גבוהה.

So in a general sense,

אז במובן הכללי,

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

אנטרופיה יכולה להיחשב כמידה של התפשטות האנרגיה.

Low entropy means the energy is concentrated.

אנטרופיה נמוכה משמעה שהאנרגיה מרוכזת.

High entropy means it's spread out.

אנטרופיה גבוהה משמעה שהיא מפוזרת.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

כדי לראות איך אנטרופיה שימושית בהסבר תהליכים ספונטניים,

like hot objects cooling down,

כמו עצמים חמים שמתקררים,

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

אנחנו צריכים להביט במערכת דינמית בה האנרגיה נעה.

In reality, energy doesn't stay put.

במציאות, אנרגיה לא נשארת במקום.

It continuously moves between neighboring bonds.

היא כל הזמן נעה בין קשרים שכנים.

As the energy moves,

כשהאנרגיה נעה,

the energy configuration can change.

סידורי האנרגיה יכולים להשתנות.

Because of the distribution of microstates,

בגלל ההתפלגות של מיקרו המצבים,

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

יש סיכוי של 21% שהמערכת תהיה מאוחר יותר במצב

in which the energy is maximally spread out,

בו האנרגיה מפוזרת באופן מקסימלי.

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

יש 13% סיכוי שהיא תחזור למצב ההתחלתי,

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

וסיכוי של 8% שא' למעשה יצבור אנרגיה.

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

שוב, אנחנו רואים שבגלל שיש יותר דרכים לקבל אנרגיה מפוזרת

and high entropy than concentrated energy,

ואנטרופיה גבוהה מאשר אנרגיה מרוכזת,

the energy tends to spread out.

האנרגיה נוטה להתפשט.

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

לכן אם תשימו עצם חם קרוב לעצם קר,

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

הקר יתחמם והחם יתקרר.

But even in that example,

אבל אפילו בדוגמה הזו,

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

יש סיכוי של 8% שהעצם החם יתחמם.

Why doesn't this ever happen in real life?

למה זה אף פעם לא קורה בחיים האמתיים?

It's all about the size of the system.

הכל קשור לגודל המערכת.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

למוצקים ההיפוטטיים שלנו היו שישה קשרים כל אחד.

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

בואו נגדיל את המוצקים ל-6,000 קשרים ו-8,000 יחידות אנרגיה,

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

ושוב נתחיל את המערכת עם שלושה רבעים מהאנרגיה ב-א'

and one-quarter in B.

ורבע ב-ב'.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

עכשיו אנחנו מגלים שהסיכוי שא' ירכוש עוד אנרגיה באופן ספונטני

is this tiny number.

הוא מספר זעיר זה.

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

לעצמים מוכרים ויום יומיים יש הרבה יותר חלקיקים מזה.

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

הסיכוי של עצם חם בעולם האמיתי להעשות חם יותר

is so absurdly small,

קטן בצורה אבסורדית,

it just never happens.

שזה פשוט אף פעם לא קורה.

Ice melts,

קרח נמס,

cream mixes in,

חלב מתערבב,

and tires deflate

וצמיגים מאבדים אויר

because these states have more dispersed energy than the originals.

כי למצבים האלה יש יותר אנרגיה מפוזרת מהמקוריים.

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

אין כוח מסתורי שדוחף את המערך לכיוון אנטרופיה גבוהה יותר.

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

זה פשוט שאנטרופיה גבוהה יותר תמיד סבירה יותר סטטיסטית.

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

לכן אנטרופיה נקראת חץ הזמן.

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

אם לאנרגיה יש את ההזדמנות להתפשט, היא תעשה זאת.