אנטרופיה (סטטיסטיקה)
אנטרופיה אומרת כמה קשה לנחש תוצאה אקראית. המושג הוצג על ידי קלוד שאנון ב־1948. אם לכל תוצאה יש הסתברות p, אנטרופיה מודדת את "ההפתעה" הממוצעת. כאשר כל התוצאות שוות ההפתעה גדולה יותר. א. אם יש שני ניסויים בלתי תלויים, אי־הוודאות שלהם מתוספת. ב. אפשר לפרק אי־וודאות למסלקה מותנית, כלומר "כמה נשאר ל...
אנטרופיה
אֶנטרופיה היא דרך למדוד כמה "אי־סדר" יש במערכת. זו מילה בפיזיקה שנמצאת בשימוש רחב. מומחים גילו את הרעיון כשהם חקרו מכונות חום. קלאוזיוס נתן שם לאנטרופיה במאה ה־19. מאוחר יותר בולצמן ואחרים הקשרו את זה למספר הדרכים שמערכת יכולה להיות בסדרים שונים. במילים פשוטות, אם מערכת מקבלת חום, האנטרופיה שלה בד...
תהליך איזותרמי
תהליך איזותרמי הוא תהליך שבו הטמפרטורה נשארת קבועה. התהליך נע לאט. המערכת מחליפה חום עם מאגר חם כדי לשמור על הטמפרטורה. בתרשים לחץ, נפח, השטח מתחת לעקומה מייצג את העבודה. בגז אידיאלי, כשהנפח גדל, הלחץ קטן. אנרגיה פנימית היא האנרגיה שבתוך הגז. אם הטמפרטורה קבועה, האנרגיה הפנימית לא משתנה. החום שנכ...
אלפרד רניי
אלפרד רניי (1921, 1970) היה מתמטיקאי מהונגריה. הוא היה יהודי ועבד הרבה על הסתברות. הסתברות היא דרכים לנבא מה יכול לקרות. בתחילה הוא לא הורשה ללמוד בקלות בגלל חוקים נגד יהודים. הוא עבד בעבודות כפייה, אבל ברח והסתתר עם תעודות מזויפות. הוא גם הוציא את הוריו מהגטו בחשאי. ב‑1945 קיבל תואר דוקטור (תואר ...
אי-שוויון ינסן
יינסן אומר שפונקציה קמורה נותנת ערך באותו מקום שאינו גדול מהממוצע של הערכים סביבו. קמורה פירושו: אם מחברים קו בין שתי נקודות על העקומה, הקו תמיד יהיה מעל העקומה או ייגע בה. אם לוקחים כמה נקודות על העקומה ומחשבים את הממוצע שלהן, הערך של הפונקציה בממוצע זה אינו גדול מהממוצע של הערכים בנקודות. אותה מ...
אנרגיה חופשית של הלמהולץ
אנרגיה חופשית של הלמהולץ היא מדד שעוזר לדעת כמה עבודה אפשר להוציא ממערכת בטמפרטורה קבועה. השם מגיע מהרמן פון הלמהולץ. הנוסחה היא F = U - T S. U היא האנרגיה הפנימית, כלומר כל האנרגיה בתוך המערכת. S היא האנטרופיה, כלומר מידה של אי־סדר. T היא הטמפרטורה. במצב שיווי משקל, כאשר הטמפרטורה קבועה, F הכי ...
חוק הס
חוק הס (Hess's law) אומר ששינוי החום בתגובה תלוי רק בתחילת ובסוף שלה. חום כאן זה אנתלפיה. אנתלפיה היא כמות החום במערכת. אפשר לחשב את השינוי הזה מההפרש בין אנתלפיות ההתהוות של המוצרים והמגיבים. אם ה-ΔH חיובי, התגובה סופגת חום. כל חוק על משוואה משפיע על ה-ΔH באותו האופן. אם מכפילים משוואה, מכפילים ג...
אנרגיה פנימית
אנרגיה פנימית היא כל האנרגיה שנמצאת בתוך מערכת. מסמנים אותה בדרך כלל באות U. היא כוללת שני דברים חשובים: תנועת החלקיקים הקטנים, שזה חום (אנרגיה תרמית), והכוחות בין החלקיקים, כמו קשרים כימיים. היא לא כוללת את תנועת הגוף כולו או את האנרגיה של מיקום כללי שלו. לא תמיד אפשר לדעת את כל ערך האנרגיה הפנימי...
פוטנציאלים תרמודינמיים
פוטנציאלים תרמודינמיים הם מספרים שמזכירים אנרגיה. הם עוזרים לדעת כמה עבודה אפשר להוציא ממערכת. דוגמאות נפוצות הן האנרגיה הפנימית, אנרגיה חופשית של למהולץ ואנרגיה חופשית של גיבס. מערכת מתוארת על ידי דברים כמו טמפרטורה (חום), לחץ (דחיפה לאחור), נפח (כמה מקום) ואנטרופיה (רמת אי־סדר). יש גם מספר החלקיק...
תגובת שרשרת
תגובת שרשרת היא סדרה של תגובות. כל תגובה יוצרת משהו שגורם לתגובה הבאה. זה יוצר משוב חיובי, כלומר מה שקורה מחזק את עצמו. תגובות כאלה עוזרות למערכת שאינה בשיווי משקל לשחרר אנרגיה. אנטרופיה היא מידה של בלגן. אם שחרור קטן של אנרגיה גורם לשחרור גדול יותר, זה יימשך עד ששוחררה רוב האנרגיה....
החוק השני של התרמודינמיקה
החוק השני של התרמודינמיקה אומר שבמערכת סגורה אי־הסדר גדל עם הזמן. אי־הסדר נותן שם רשמי: אנטרופיה. אנטרופיה = כמה האנרגיה מפוזרת ולא זמינה לעבודה. זה אומר שאנרגיה שמשתחררת לרוב מתפזרת כחום ולא ניתנת להשבה בקלות. חום זורם תמיד מהחם לקר, ולא באופן ספונטני מהקר לחם. מדענים כמו סאדי קרנו והאחרים חשבו ...
פיזיקה סטטיסטית
פיזיקה סטטיסטית חוקרת מערכות עם המון חלקיקים. החלקיקים הם אטומים או מולקולות. במקום לעקוב אחרי כל חלקיק, בוחנים מה קורה בדרך כלל. ככה מוצאים טמפרטורה, לחץ ואנטרופיה. אנטרופיה היא מידה של חוסר סדר. מדענים כמו ברנולי, מקסוול, בולצמן ופלאנק פיתחו רעיונות חשובים. הם הראו שאפשר להסביר חום ואור על ידי ...
לודוויג בולצמן
לודוויג בולצמן (1844, 1906) היה מדען מאוסטריה. הוא חקר איך חלקיקים קטנים יוצרים תופעות גדולות. נולד בווינה ב-1844. למד פיזיקה באוניברסיטת וינה וקיבל תואר דוקטור ב-1866. עבד כפרופסור בגראץ ובוינה. ב-1906 נפטר בזמן חופשה בעיירה דורינו שבאיטליה. הסיבות אינן ברורות, ואנשים מדברים על כך שהוא היה מודאג ...
השד של מקסוול
מקסוול דמיין יצור קטן שמפתח דלת בין שני חלקים של מכל עם גז. היצור פותח את הדלת רק למולקולות מהירות מצד אחד. כך אחד הצדדים מתחמם והשני מתקרר. זה נראה כמו שבור את החוק שאומר שחום הולך מטמפרטורה גבוהה לנמוכה. המפתח הוא שהשדון צריך לבדוק את המולקולות. בדיקה זו יוצרת "בלאגן" נוסף. המילה אנטרופיה היא מ...
החוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה אומר שאנרגיה לא נעלמת. היא עוברת לצורת חום או לעבודה. השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת הוא החום שנכנס פחות העבודה שהמערכת עשתה. אנרגיה פנימית זה הכל מהאנרגיה שבתוך החומר. כאשר המערכת מתרחבת, היא דוחפת החוצה. זה דורש עבודה. אם נפח המערכת גדל, העבודה שהמערכת מקבלת היא שליל...
תורת האינפורמציה
תורת האינפורמציה עוסקת במדידה ובהעברה של מידע. מידע הוא מה שמקטין את חוסר הוודאות. ב-1948 קלוד שאנון המציא רעיונות חשובים בתחום. הוא נתן שם ל'סיבית' (bit). סיבית היא יחידת מידע. הודעה נדירה נותנת יותר מידע. זה נקרא אינפורמציה עצמית. אנטרופיה מסבירה כמה קשה לנחש הודעה מהמערכת. אינפורמציה הדדית אומ...
האפס המוחלט
האפס המוחלט הוא הטמפרטורה הכי נמוכה שאפשר לדמיין. זה 0 קלווין או −273.15 מעלות צלזיוס. קלווין זה מד של חום. המדען לורד קלווין אמר ב‑1848 שלא ניתן להגיע לאפס המוחלט. החוק השלישי של התרמודינמיקה (חוק חשוב בפיזיקה) גם אומר כך. אם נגיע קרוב לאפס המוחלט, החלקיקים יעמדו במצב הכי רגוע שלהם. אנטרופיה, מילה...
צבר (פיזיקה סטטיסטית)
צבר הוא קבוצה של עותקים של אותה מערכת. כל עותק דומה מבחוץ. אך כל עותק יכול להיות שונה מבפנים. בצבר המיקרוקנוני לכל המערכות יש אותה אנרגיה, אותו נפח ואותו מספר חלקיקים. רק המצבים שמקיימים זאת נחשבים. אם יש g מצבים כאלה, ההסתברות לכל מצב היא 1 חלקי g. מספר המצבים עם אנרגיה מסוימת נקרא Ω(E). האנטרופי...
התפלגות בולצמן
התפלגות בולצמן אומרת כמה סביר למצוא מערכת במצב עם אנרגיה מסוימת בטמפרטורה נתונה. טמפרטורה היא מדד של חום. אנרגיה היא כמות שהמערכת מכילה. הרעיון העיקרי פשוט: מצבים עם אנרגיה גבוהה פחות סבירים. כשחם יותר, קל יותר למצוא מצבים אנרגטיים. כשקר מאוד, כמעט כל החלקיקים יהיו במצב הכי נמוך של אנרגיה שנקרא מצב...
תרמודינמיקה
תֶּרְמוֹדִינָמִיקָה היא חקר החום, העבודה והטמפרטורה. טמפרטורה מדברת על כמה משהו חם או קר. חום הוא אנרגיה בתנועה. אנרגיה היא היכולת לעשות עבודה. אנטרופיה (מילה שקשה) פירושה כמה משהו מבולגן או כמה מידע חסר. התחום התחיל כי אנשים רצו לשפר מנועים, כמו מנועי הקיטור. המדען סאדי קרנו עבד על זה ב־1824. בביר...
חץ הזמן
חץ הזמן אומר שלמרות שחוקי הפיזיקה נראים דומים קדימה ואחורה, אנחנו חווים את הזמן בצד אחד. אנטרופיה, מידה לכמה משהו מבולגן, גדלה בדרך כלל עם הזמן. דוגמה: צלחת נשברת והדברים נעשים מבולגנים יותר. זהו הכיוון שבו הבלגן במערכת גדל. תנועה מסודרת הופכת לחום מפוזר, שזה מבולגן יותר. צנצנת עם צבע ומים מר...
פוטנציאל כימי
פוטנציאל כימי הוא כמה אנרגיה צריך כדי להוסיף חלקיק למערכת. אפשר לחשוב עליו כמו גובה שממנו משהו יכול לגלול. חלקיקים נעים מאזור שבו הפוטנציאל הכימי גבוה לאזור שבו הוא נמוך. זה דומה למולקולות שמתפזרות מאזור צפוף לאזור ריק. הן עושות זאת לבד, כי זה מצב פשוט ו"נוח" יותר. דוגמה פשוטה: כוס מים עם קוביות ק...
עבודה הפרדתית
עבודה הפרדתית היא מידה של כמה קשה להפריד סוגים שונים של אטומים. זה חשוב כשמעשירים אורניום. ההעשרה היא הגדלת חלקו של האיזוטופ אורניום‑235. (איזוטופ = גרסה של אותו יסוד עם משקל שונה.) הפרדת האיזוטופים דורשת השקעת עבודה, כי היא מארגנת חלקיקים במידה שהיא פחות סתומה (זה קשור למילה "אנטרופיה" - מידה של ...
מודל דלטון
מודל דלטון אומר: לחץ של תערובת גזים הוא סכום הלחצים של כל גז. לחץ חלקי הוא הלחץ שכל גז עושה אם הוא לבד. ג'ון דלטון גילה את זה ב-1801 ופרסם ב-1802. הכלל נכון לגזים אידיאליים. לפעמים הוא נכון גם לגזים אמיתיים אם הם לא מגיבים. המודל לא מתאים לנוזלים. יש גם מודל אחר שנקרא אמגט. הוא טוב יותר בגזים לא איד...
מדד שאנון-ויבר
מדד שאנון-ויבר בודק כמה קהילה של בעלי חיים או צמחים מגוונת. המדד מסתכל על כמה מינים יש וכמה כל מין נפוץ ביחס לאחרים. השם מגיע מהמחשבה של קלוד שאנון על מידע. שם זה קשור גם למושג שנקרא אנטרופיה. משתמשים במדד כדי להשוות שתי קהילות ולראות איזו מהן יותר מגוונת. צריך לדעת כמה מינים יש ולכמה חלק כל מין תו...
קרינת הוקינג
קרינת הוקינג היא קרינה שיוצאת מחור שחור. אופק האירועים הוא הגבול סביב החור השחור. מאחורי הגבול לא חוזר אור. הסיבה לקרינה קשורה לזוגות חלקיקים וירטואליים. זה משמעותו: חלקיקים שמופיעים ונעלמים בריק. אחד מהם יכול לברוח ולצאת כקרינה. זה גורם לחור השחור לאבד אנרגיה. התהליך איטי מאוד. לחור שחור בגודל ...
אפקט הדומינו
אפקט הדומינו אומר ששינוי קטן יכול לגרום לשרשרת שינויים. שרשרת שינויים היא כשדבר אחד משפיע על הבא אחריו. השם לקוח ממשחק דומינו. דומינו הן אבנים שעומדות בשורה. אם אבן אחת נופלת, גם כל השאר נופלות. בזמן המלחמה הקרה חשבו שמדינה אחת שנופלת תשפיע על מדינות אחרות. זה קרה בשלבים לפני שהעולם השתנה וברית ה...
תנועה נצחית
זוהי מכונה שאמורה לעבוד בלי להפסיק. "נצחית" פירושו לעד. זהו רעיון היפותטי. היפותטי אומר שזה לא דבר שמוכח שקיים. מכונה כזו רוצה לתת עבודה בלי לקבל אנרגיה מבחוץ. המדענים אומרים שזה לא יכול לקרות. יש חוקים של אנרגיה שמונעים זאת. אחד מהם אומר שאי אפשר ליצור אנרגיה חדשה. חוק אחר אומר שדברים נהיים מבולגני...
פעפוע
פעפוע (דיפוזיה) הוא פיזור של חומר ממקום צפוף למקום פחות צפוף. זה קורה כי חלקיקים זזים לוכדי. אנרגיה קינטית היא האנרגיה שגורמת לחלקיקים לזוז. החלקיקים נעים אקראית. בגלל זה החומר מתפזר ואינו נשאר במקום אחד. דוגמה: עשן שממלא חדר. מדענים ניסחו חוקים כדי לתאר פעפוע. אדולף פיק כתב חוקים אלה במאה ה־19. ...
ארגון
ארגון, קבוצה של אנשים שעובדים יחד למטרה משותפת. זה יכול להיות חברה, מועדון או שירות. ארגון הוא מערכת (קבוצה שפועלת ביחד) עם גבולות ברורים. היררכיה (דרגות וסדר בין אנשים) עוזרת לדעת מי אחראי על מה. ארגונים שומרים על סדר כדי לפעול טוב. יש להם דרכים לבדוק איך הם מתקשרים עם העולם החיצון. אנשים מתמחים ...
קלוד שאנון
קלוד שאנון (1916, 2001) היה מדען אמריקאי חשוב. הוא נחשב לאבי תורת האינפורמציה. תורת האינפורמציה היא חקר איך להעביר ולמדוד מידע. שאנון נולד במישיגן וגדל בעיירה גיילורד. אביו עבד בעסקים, ואמו הייתה מורה. אחרי התיכון עבד כשליח. הוא למד מתמטיקה והנדסת חשמל. בעבודת המאסטר שלו הראה שאפשר להשתמש ב"ביטי...
טמפרטורה
טמפרטורה אומרת אם משהו חם או קר. היא קשורה לתנועה של החלקיקים, כלומר לאנרגיה שלהם. מדידה נפוצה היא באמצעות תרמומטר. תרמומטר בודק שינוי בתכונה של חומר עם חום. יש סולמות למדידה. הסולם הנפוץ הוא צלזיוס (°C). קלווין (K) משתמשים בו במדע. חום זורם מטמפרטורה גבוהה לנמוכה. כשאין יותר שינוי, יש שיווי מ...
מנוע קרנו
מנוע קרנו הוא רעיון בתרמודינמיקה על המנוע הכי יעיל שאפשר לדמיין. שמו מגיע מהמדען סאדי קרנו. זהו מודל תיאורטי שאי אפשר לבנות במציאות. מנוע חום מחמם חומר כדי שיעשה עבודה. קרנו הראה שיש גבול כמה חום אפשר להפוך לעבודה. הגבול תלוי בטמפרטורת מקור החום ובטמפרטורת המקום הקר. המנוע עובד במחזור ובסוף חוזר ל...