عملية لا رجعة فيها

في الديناميكا الحرارية ، العملية غير العكوسة هي عملية يستحيل عكسها أو إلغاؤها. جميع العمليات الطبيعية المعقدة غير عكوسة، ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} على الرغم من أن التحول الطوري عند درجة حرارة التعايش (مثل ذوبان مكعبات الثلج في الماء) يمكن تقريبه جيدًا على أنه عملية عكوسة.

لا يمكن استعادة الحالة الديناميكية الحرارية لنظام ما، بما في ذلك جميع مكوناته المحيطة، بدقة إلى حالتها الابتدائية بتغييرات طفيفة في إحدى خصائص النظام دون استهلاك طاقة . قد يظل النظام الذي يخضع لعملية غير قابلة للانعكاس قادرًا على العودة إلى حالته الابتدائية. ولأن الإنتروبيا دالة حالة ، فإن التغير في إنتروبيا النظام يكون ثابتًا سواء كانت العملية قابلة للانعكاس أم لا. مع ذلك، تكمن الاستحالة في إعادة البيئة إلى حالتها الابتدائية. تزيد العملية غير القابلة للانعكاس من الإنتروبيا الكلية للنظام ومحيطه. يمكن استخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية لتحديد ما إذا كانت عملية افتراضية قابلة للانعكاس أم لا.

بشكل بديهي، تكون العملية قابلة للانعكاس إذا لم يحدث تبديد للطاقة . على سبيل المثال، يُعدّ تمدد جول غير قابل للانعكاس لأن النظام في البداية غير متجانس. في البداية، يوجد جزء من النظام يحتوي على غاز، وجزء آخر لا يحتوي عليه. ولكي يحدث تبديد للطاقة، يجب أن يكون هناك هذا التباين. وهذا يُشبه تمامًا وجود قسم من الغاز في النظام ساخنًا، والآخر باردًا. حينها سيحدث تبديد للطاقة؛ وسيصبح توزيع درجة الحرارة متجانسًا دون بذل أي شغل، وهذا غير قابل للانعكاس لأنه لا يُمكن إضافة حرارة أو إزالتها أو تغيير الحجم لإعادة النظام إلى حالته الأولية. وبالتالي، إذا كان النظام متجانسًا دائمًا، فإن العملية قابلة للانعكاس، أي يُمكن إعادة النظام إلى حالته الأصلية إما بإضافة حرارة أو إزالتها، أو ببذل شغل على النظام، أو بترك النظام يبذل شغلًا. كمثال آخر، لتقريب التمدد في محرك الاحتراق الداخلي على أنه قابل للانعكاس، نفترض أن درجة الحرارة والضغط يتغيران بشكل متجانس في جميع أنحاء الحجم بعد الشرارة. من الواضح أن هذا غير صحيح، وهناك جبهة لهب ، وأحياناً حتى طرق في المحرك .

تنشأ ظاهرة اللاعكوسية من حقيقة أنه إذا نُقل نظام ديناميكي حراري ، وهو أي نظام ذو تعقيد كافٍ، من جزيئات متفاعلة من حالة ديناميكية حرارية إلى أخرى، فإن تكوين أو ترتيب الذرات والجزيئات في النظام سيتغير بطريقة يصعب التنبؤ بها. ^{[ 5 ] [ 6 ]} يُستهلك جزء من "طاقة التحول" حيث تبذل جزيئات "الجسم العامل" شغلاً على بعضها البعض عند انتقالها من حالة إلى أخرى. خلال هذا التحول، يحدث فقدان أو تبديد لجزء من الطاقة الحرارية نتيجة الاحتكاك والتصادمات بين الجزيئات. ولن يكون بالإمكان استعادة هذه الطاقة إذا عُكست العملية.

تبين أن العديد من العمليات البيولوجية التي كان يُعتقد سابقًا أنها قابلة للانعكاس هي في الواقع عبارة عن اقتران لعمليتين غير قابلتين للانعكاس. فبينما كان يُعتقد سابقًا أن إنزيمًا واحدًا يحفز كلًا من التفاعلات الكيميائية الأمامية والعكسية، فقد أظهرت الأبحاث أن هناك حاجة عادةً إلى إنزيمين منفصلين ذوي بنية متشابهة لإتمام ما ينتج عنه زوج من العمليات غير القابلة للانعكاس من الناحية الديناميكية الحرارية . ^{[ 7 ]}

يُعرّف علم الديناميكا الحرارية السلوك الإحصائي لأعداد كبيرة من الكيانات، ويُحدد سلوكها الدقيق بقوانين أكثر تحديدًا. في حين أن جميع القوانين النظرية الأساسية للفيزياء قابلة للانعكاس الزمني، ^{[ 8 ]} فإن احتمالية الانعكاس الفعلي عمليًا منخفضة، ولا يُستعاد الوضع السابق للنظام والمحيط إلا إلى حدٍ ما (انظر: مبدأ عدم اليقين ). يجب أن تكون قابلية الانعكاس في الديناميكا الحرارية إحصائية بطبيعتها؛ أي أنه يجب أن يكون من غير المرجح، ولكن ليس من المستحيل، أن ينخفض ​​مستوى إنتروبيا النظام. بعبارة أخرى، تتحقق قابلية الانعكاس الزمني إذا حدثت العملية بنفس الطريقة لو كان الزمن يسير في الاتجاه المعاكس أو لو انعكس ترتيب الحالات في العملية (تصبح الحالة الأخيرة هي الأولى والعكس صحيح).

كان الفيزيائي الألماني رودولف كلاوزيوس ، في خمسينيات القرن التاسع عشر، أول من قام بتحديد مفهوم اللاعكوسية في الطبيعة كمياً من خلال تقديمه لمفهوم الإنتروبيا . في مذكراته التي نُشرت عام 1854 بعنوان "حول صيغة معدلة للنظرية الأساسية الثانية في النظرية الميكانيكية للحرارة"، يذكر كلاوزيوس ما يلي:

علاوة على ذلك، قد يحدث أنه بدلاً من انتقال الحرارة التنازلي المصاحب لانتقال الحرارة الصاعد في نفس العملية، قد يحدث تغيير دائم آخر يتميز بأنه غير قابل للعكس دون أن يتم استبداله بتغيير دائم جديد من نوع مماثل، أو ينتج عنه انتقال حرارة تنازلي.

ببساطة، ينص كلاوزيوس على أنه من المستحيل أن ينقل نظام ما الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن. على سبيل المثال، كوب من القهوة الساخنة موضوع في مكان بدرجة حرارة الغرفة (حوالي 22 درجة مئوية) سينقل الحرارة إلى محيطه، وبالتالي يبرد مع ارتفاع طفيف في درجة حرارة الغرفة (إلى حوالي 22 درجة مئوية ). ومع ذلك، فإن كوب القهوة نفسه لن يمتص الحرارة من محيطه، مما يجعله يسخن أكثر، مع انخفاض درجة حرارة الغرفة (إلى حوالي 22 درجة مئوية ). لذلك، فإن عملية تبريد القهوة غير قابلة للانعكاس ما لم تُضَف طاقة إضافية إلى النظام.

مع ذلك، برزت مفارقة عند محاولة التوفيق بين التحليل المجهري للنظام وملاحظات حالته العيانية. فالعديد من العمليات قابلة للانعكاس رياضيًا في حالتها المجهرية عند تحليلها باستخدام الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية. هذه المفارقة تُشوه بوضوح التفسيرات المجهرية للميل العياني نحو التوازن، مثل حجة جيمس كلارك ماكسويل عام 1860 بأن التصادمات الجزيئية تستلزم تساوي درجات حرارة الغازات المختلطة. ^{[ 9 ]} بين عامي 1872 و1875، عزز لودفيج بولتزمان التفسير الإحصائي لهذه المفارقة في صورة صيغة بولتزمان للإنتروبيا ، التي تنص على أن زيادة عدد الحالات المجهرية الممكنة التي قد يكون عليها النظام ستزيد من إنتروبيا النظام، مما يقلل من احتمالية عودته إلى حالة سابقة. وقد كمّمت صيغه التحليل الذي أجراه ويليام طومسون، البارون الأول لكلفن ، الذي جادل بما يلي: ^{[ 10 ] [ 11 ]}

معادلات الحركة في الديناميكا المجردة قابلة للانعكاس تمامًا؛ فأي حل لهذه المعادلات يظل صحيحًا عند استبدال متغير الزمن t بـ -t. من جهة أخرى، العمليات الفيزيائية غير قابلة للانعكاس: على سبيل المثال، احتكاك المواد الصلبة، وتوصيل الحرارة، والانتشار. ومع ذلك، فإن مبدأ تبديد الطاقة يتوافق مع نظرية جزيئية تخضع فيها كل جسيمة لقوانين الديناميكا المجردة.

قدّم عالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه تفسيراً آخر للأنظمة غير العكوسة . ففي عام 1890، نشر أول تفسير له للديناميكا غير الخطية، والمعروفة أيضاً بنظرية الفوضى . وبتطبيق نظرية الفوضى على القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يمكن تفسير مفارقة اللاعكوسية في الأخطاء المرتبطة بالتدرج من الحالات الميكروسكوبية إلى الحالات الماكروسكوبية، ودرجات الحرية المستخدمة عند إجراء الملاحظات التجريبية. وتتفاقم الحساسية للشروط الابتدائية المتعلقة بالنظام وبيئته في الحالة الميكروسكوبية لتُظهر خصائص اللاعكوسية ضمن النطاق الفيزيائي القابل للملاحظة. ^{[ 12 ]}

في المجال الفيزيائي، توجد العديد من العمليات غير العكوسة التي يُعزى إليها عدم القدرة على تحقيق كفاءة كاملة في نقل الطاقة. فيما يلي قائمة بالأحداث التلقائية التي تُسهم في عدم عكوسية العمليات. ^{[ 13 ]}

• الشيخوخة (هذا الادعاء محل خلاف، حيث ثبت أن الشيخوخة يمكن عكسها في الفئران. ^{[ 14 ]} كما ثبت أن NAD + ^{[ 15 ]} والتيلوميراز ^{[ 16 ] يعكسان الشيخوخة.)}
• موت
• وقت
• انتقال الحرارة عبر فرق درجة حرارة محدود
• احتكاك
• التشوه اللدن
• تدفق التيار الكهربائي عبر مقاومة
• التمغنط أو الاستقطاب مع التخلف المغناطيسي
• تمدد السوائل غير المقيد
• التفاعلات الكيميائية التلقائية
• الاختلاط التلقائي للمادة ذات التركيب/الحالات المختلفة

يُعدّ تمدد جول مثالًا على الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، إذ يسهل حساب الزيادة الناتجة في الإنتروبيا. يحدث هذا التمدد عندما يُحفظ حجمٌ من الغاز في أحد جانبي وعاء معزول حراريًا (بواسطة حاجز صغير)، بينما يُفرغ الجانب الآخر من الوعاء من الهواء؛ ثم يُفتح الحاجز بين جزئي الوعاء، فيملأ الغاز الوعاء بأكمله. تبقى الطاقة الداخلية للغاز ثابتة، بينما يزداد حجمه. لا يمكن استعادة الحالة الأصلية بمجرد ضغط الغاز إلى حجمه الأصلي، لأن الطاقة الداخلية ستزداد نتيجةً لهذا الضغط. لا يمكن استعادة الحالة الأصلية إلا بتبريد النظام المضغوط مرة أخرى، وبالتالي تسخين البيئة المحيطة بشكل لا رجعة فيه. ينطبق الرسم البياني على اليمين فقط في حالة التمدد الأول "الحر" (تمدد جول)، أي أنه لا يوجد ضغط جوي خارج الأسطوانة ولا يوجد وزن مرفوع.

يُعدّ التمييز بين الأحداث القابلة للانعكاس وغير القابلة للانعكاس ذا أهمية تفسيرية خاصة في الأنظمة المعقدة (مثل الكائنات الحية أو النظم البيئية ). ووفقًا لعالمي الأحياء همبرتو ماتورانا وفرانسيسكو فاريلا ، تتميز الكائنات الحية بالتكوين الذاتي ، الذي يُمكّنها من الاستمرار في الوجود. وقد وصف الفيزيائي والكيميائي إيليا بريغوجين أشكالًا بدائية من الأنظمة ذاتية التنظيم . في سياق الأنظمة المعقدة، يمكن اعتبار الأحداث التي تؤدي إلى نهاية عمليات تنظيم ذاتي معينة ، مثل الموت أو انقراض نوع ما أو انهيار نظام مناخي، أحداثًا غير قابلة للانعكاس. فحتى لو أمكن تطوير نسخة مستنسخة بنفس المبدأ التنظيمي (مثل بنية الحمض النووي المتطابقة)، فإن هذا لا يعني عودة النظام الأصلي المتميز إلى الوجود. أما الأحداث التي يمكن أن تتكيف معها قدرات التنظيم الذاتي للكائنات الحية أو الأنواع أو الأنظمة المعقدة الأخرى، مثل الإصابات الطفيفة أو التغيرات في البيئة الفيزيائية، فهي أحداث قابلة للانعكاس. ومع ذلك، يعتمد التكيف على استيراد طاقة سالبة إلى الكائن الحي، مما يزيد من العمليات غير القابلة للانعكاس في بيئته. ^{[ 17 ]} يمكن تعريف المبادئ البيئية، مثل مبادئ الاستدامة ومبدأ الحيطة ، بالرجوع إلى مفهوم قابلية الانعكاس. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 5 ] [ 24 ] [ 25 ]}