הסדרי נגישות
עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה] > חומרים: תכונות ותהליכים
ראש גדול


תקציר
למהלך האירועים בטבע יש היגיון וסדר שמעניין ללמוד אותם. על סדר ואי-סדר, אנרגיה וטמפרטורות, ואיך כל זה קשור לזמן.



לאן פונה חץ הזמן או...מה הקשר בין סדר ואי-סדר לטמפרטורה?
מחבר: יוסי אסטרייכר


בחיי היומיום אנו שוברים לעיתים כוסות, מבלגנים דברים או הופכים את החדר. זה קורה כמעט מעצמו. לעומת זאת, לסדר ולתקן, הן פעולות הדורשות מאתנו מאמץ. המרק על השולחן מתקרר מעצמו. כדי לחמם אותו דרושה אנרגיה. מתברר שכך מתנהל גם הטבע. כשמתפרץ הר געש, מתפזרת הלבה החמה בסביבתו ומתקררת עם הזמן. מעולם לא קרה ששפכי לבה קרושה החלו לרתוח בשדות וזרמו במעלה ההר בחזרה אל לוע הר הגעש. למהלך האירועים בטבע העולם יש היגיון וסדר שמעניין ללמוד אותם. נתחיל אם כך במסע…

סדר ואי-סדר

סיפורנו מתחיל בניסוי שערכנו עם כוס מים נקיים וטיפת דיו. טפטפנו את הדיו למים וראינו שתוך זמן לא רב, בלא שהתערבנו, התפזרה טיפת הדיו במים עד שלא ניתן היה לדעת היכן המים והיכן הדיו. בשפת הפיזיקה נאמר שהיתה לנו 'מערכת' המכילה מים ודיו, כל אחד בנפרד. והנה, כשהתפזרה טיפת הדיו באופן אקראי במים, לא נתאפשר לקבוע היכן בדיוק היא נמצאת. בתיאור סדר המצבים מהמוקדם אל המאוחר נגיד שהמצב שבו הדיו היה מרוכז בטיפה קדם למצב שבו הוא התפזר במים.

הסדר והזמן

אילו היפוך הזמנים היה אפשרי במציאות, היינו יכולים להתבונן בכוס מים שדיו התפזר בהם ולצפות בחלקיקי הדיו נאספים ומתרכזים בטיפה נפרדת מהמים השבים לצלילותם. אך זה לא קורה. הסיבה שמערכות שהסדר בתוכן נקבע על ידי תנועה אקראית עוברות ממצבי סדר למצבים של אי-סדר היא שלהשגת סדר דרושה אנרגיה ואילו אי-הסדר נוצר באופן ספונטני.

נסכם לפיכך כי סדר הוא תכונה של מערכת, המאפשרת לדעת בכל זמן נתון היכן נמצא כל אחד ממרכיביה ואם הוא בתנועה – לאיזה כיוון הוא נע ומה מהירותו. ואילו מצב אי-הסדר אינו מאפשר קבלת מידע כזה.

המדענים בחרו להגדיר את מצב המערכת על פי רמת אי-הסדר ולא לפי רמת הסדר שבתוכה ולכן, ניתן לומר שכיוון הזמן זהה למגמת העלייה של רמת אי-סדר בתוך המערכת. לאותה רמת אי-הסדר של המערכת קוראים: אנטרופיה.

חום ואי סדר

נניח שלפנינו מיכל גז המחולק באמצע על ידי מחיצה. בחצי האחד נמצא גז בטמפרטורה גבוהה ובשני – גז בטמפרטורה נמוכה. משמעו של דבר שחלקיקי הגז בחצי האחד נעים במהירות ממוצעת גדולה מאלה שבחצי האחר. אם נסיר את המחיצה, יתחילו מיד התנגשויות אקראיות בין החלקיקים.

כל חלקיק נושא כמות אנרגיה (חום). החלקיקים המהירים נושאים אנרגיה רבה יותר מהאיטיים וכשפוגעים המהירים באיטיים, הם מוסרים להם חלק מהאנרגיה שלהם. כתוצאה מכך מואטת מהירות המהירים וגדלה מהירות האיטיים והחום מתפזר באופן אקראי בין כל חלקיקי הגז. נשים לב כי הפיזור האקראי מעלה כל הזמן את רמת אי הסדר.

טמפרטורות מתפשרות

אפשר לשאול עד מתי יימשך התהליך של מסירת וקבלת אנרגיה בין חלקיקי הגז? והתשובה היא: עד שהמערכת כולה תגיע למצב שבו לא ניתן יהיה לגלות הבדלים כלשהם בין שני חלקי המיכל. החלקיקים החמים התקררו קצת, הקרים התחממו קצת והמהירות הממוצעת של חלקיקי הגז במצב זה תהיה קטנה מהמהירות הממוצעת שהיתה לחלקיקים המהירים, וגדולה מזו שהיתה לחלקיקים האיטיים. כלומר, המערכת הגיעה למצב חדש שאיננו דומה לאף אחד מהמצבים שהיו בראשית התהליך.

אז איך כל זה קשור לזמן?

כשחושבים אם סביר שמגמת התהליך תהיה הפוכה, מגיעים למסקנה שההסתברות לכך קטנה מאד. הדבר דומה למי שמטלטל מגירה שבה מעורבבים כדורים ירוקים ואדומים ומצפה שכעבור זמן יהיו כל הכדורים האדומים מרוכזים בצד ימין של המגירה והירוקים בצד שמאל.

בטבע עובר חום באופן ספונטני ממערכת שנמצאת בטמפרטורה גבוהה למערכת שהטמפרטורה שלה נמוכה יותר. תהליך זה אינו דורש השקעה של אנרגיה, ובמהלכו עולה רמת אי הסדר בשתי המערכות.

המדענים מניחים כי היקום הוא מערכת סגורה ולכן הטמפרטורה שלו קטנה ללא הרף, רמת אי-הסדר עולה, והוא הופך להיות אחיד בכל חלקיו.

חץ הזמן המתאר את מגמת הזמן ביקום נקבע לפי סדר הופעתם של המצבים שהיקום עבר ועתיד לעבור: החל מהשלב שבו נוצר והיה מרוכז ומסודר בנקודה אחת. ועד שיגיע לסופו, מפוזר באופן אחיד, וברמת אי-סדר מקסימלית.

ביבליוגרפיה:
כותר: לאן פונה חץ הזמן או...מה הקשר בין סדר ואי-סדר לטמפרטורה?
מחבר: אסטרייכר, יוסי
תאריך: מרץ 2002 , גליון 23
שם כתב העת: ראש גדול
הוצאה לאור: ראש גדול : עמותה לקידום הידע והחינוך המדעי
הערות: 1. ירחון מדע לצעירים.
2. העמותה למצוינות בחינוך.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית