एंट्रोपिक बल

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भौतिकी में, एक प्रणाली में कार्य करने वाला एक एन्ट्रापी बल परमाणु पैमाने पर एक विशेष अंतर्निहित बल के बजाय पूरे सिस्टम की सांख्यिकीय प्रवृत्ति से इसकी एन्ट्रॉपी बढ़ाने के लिए उत्पन्न होता है।[1][2]


गणितीय सूत्रीकरण

विहित पहनावा में, एंट्रोपिक बल एक मैक्रोस्टेट विभाजन से जुड़ा हुआ है द्वारा दिया गया है[3]

कहाँ तापमान है, मैक्रोस्टेट से जुड़ी एंट्रॉपी है , और वर्तमान मैक्रोस्टेट है।[4]


उदाहरण

आदर्श गैस का दाब

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल उसके तापमान पर निर्भर करती है, न कि उसके युक्त बॉक्स की मात्रा पर, इसलिए यह एक ऊर्जा प्रभाव नहीं है जो गैस के दबाव के रूप में बॉक्स की मात्रा को बढ़ाता है। इसका तात्पर्य यह है कि एक आदर्श गैस के दबाव का एक एन्ट्रोपिक मूल होता है।[5]

ऐसे एंट्रोपिक बल की उत्पत्ति क्या है? सबसे सामान्य उत्तर यह है कि थर्मल उतार-चढ़ाव का प्रभाव थर्मोडायनामिक सिस्टम को मैक्रोस्कोपिक स्थिति की ओर ले जाता है जो कि माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी) की अधिकतम संख्या के अनुरूप होता है। राज्य। दूसरे शब्दों में, थर्मल उतार-चढ़ाव एक प्रणाली को अधिकतम एन्ट्रापी की मैक्रोस्कोपिक स्थिति की ओर ले जाते हैं।[5]


एक प्रकार कि गति

ब्राउनियन गति के लिए एन्ट्रोपिक दृष्टिकोण शुरू में आर. एम. न्यूमैन द्वारा प्रस्तावित किया गया था।[3][6] न्यूमैन ने बोल्ट्जमैन समीकरण का उपयोग करके त्रि-आयामी ब्राउनियन गति से गुजरने वाले एक कण के लिए एन्ट्रोपिक बल प्राप्त किया, जो इस बल को एक विसारक प्रेरक बल या रेडियल बल के रूप में दर्शाता है। कागज में, इस तरह के बल को प्रदर्शित करने के लिए तीन उदाहरण प्रणालियाँ दिखाई जाती हैं:

पॉलिमर

Main article: Ideal chain

एन्ट्रोपिक बल का एक मानक उदाहरण एक स्वतंत्र रूप से संयुक्त बहुलक अणु की लोच (भौतिकी) है।[6]एक आदर्श श्रृंखला के लिए, इसकी एन्ट्रापी को अधिकतम करने का अर्थ है इसके दो मुक्त सिरों के बीच की दूरी को कम करना। नतीजतन, एक बल जो श्रृंखला को ढहाने की ओर जाता है, उसके दो मुक्त सिरों के बीच आदर्श श्रृंखला द्वारा लगाया जाता है। यह एन्ट्रोपिक बल दो सिरों के बीच की दूरी के समानुपाती होता है।[5][7] एक स्वतंत्र रूप से संयुक्त श्रृंखला द्वारा एंट्रोपिक बल की एक स्पष्ट यांत्रिक उत्पत्ति होती है और इसे विवश लैग्रैंगियन गतिकी का उपयोग करके गणना की जा सकती है।[8] जैविक बहुलकों के संबंध में, एंट्रॉपिक बल और कार्य के बीच एक जटिल लिंक प्रतीत होता है। उदाहरण के लिए, अव्यवस्थित पॉलीपेप्टाइड खंड – एक ही पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के मुड़े हुए क्षेत्रों के संदर्भ में – को एक एंट्रोपिक बल उत्पन्न करने के लिए दिखाया गया है जिसका कार्यात्मक प्रभाव है।[9]


हाइड्रोफोबिक बल

See also: Hydrophobic effect § Cause
File:Drops I.jpg
पानी घास की सतह पर गिरता है

एंट्रोपिक बल का एक अन्य उदाहरण जल विरोधी बल है। कमरे के तापमान पर, यह आंशिक रूप से पानी के अणुओं के 3डी नेटवर्क द्वारा एंट्रॉपी के नुकसान से उत्पन्न होता है जब वे समाधान (रसायन विज्ञान) के अणुओं के साथ बातचीत करते हैं। प्रत्येक जल अणु सक्षम है

  • दो प्रोटॉन के माध्यम से दो हाइड्रोजन बंध दान करना,
  • दो कक्षीय संकरण#sp3|sp के माध्यम से दो और हाइड्रोजन बांड स्वीकार करना3-संकरित एकाकी जोड़े।

इसलिए, पानी के अणु एक विस्तारित त्रि-आयामी नेटवर्क बना सकते हैं। एक गैर-हाइड्रोजन-बॉन्डिंग सतह का परिचय इस नेटवर्क को बाधित करता है। पानी के अणु खुद को सतह के चारों ओर पुनर्व्यवस्थित करते हैं, ताकि बाधित हाइड्रोजन बंधनों की संख्या को कम किया जा सके। यह हाइड्रोजिन फ्लोराइड (जो 3 स्वीकार कर सकता है लेकिन केवल 1 दान कर सकता है) या अमोनिया (जो 3 दान कर सकता है लेकिन केवल 1 स्वीकार कर सकता है) के विपरीत है, जो मुख्य रूप से रैखिक श्रृंखला बनाते हैं।

यदि पेश की गई सतह में एक आयनिक या ध्रुवीय प्रकृति होती है, तो पानी के अणु 1 (आयनिक बंधन के लिए एक कक्षीय अक्ष के साथ) या 2 (परिणामी ध्रुवीयता अक्ष के साथ) चार एसपी के सीधे खड़े होते हैं।3 ऑर्बिटल्स।[10] ये अभिविन्यास आसान गति, यानी स्वतंत्रता की डिग्री की अनुमति देते हैं, और इस प्रकार एन्ट्रापी को न्यूनतम रूप से कम करते हैं। लेकिन मध्यम वक्रता वाली एक गैर-हाइड्रोजन-बॉन्डिंग सतह पानी के अणु को सतह पर कसकर बैठने के लिए मजबूर करती है, जिससे सतह पर 3 हाइड्रोजन बांड फैलते हैं, जो तब क्लैथ्रेट यौगिक-जैसे टोकरी के आकार में बंद हो जाते हैं। गैर-हाइड्रोजन-बॉन्डिंग सतह के चारों ओर इस क्लैथ्रेट जैसी टोकरी में शामिल पानी के अणु उनके अभिविन्यास में विवश हैं। इस प्रकार, कोई भी घटना जो इस तरह की सतह को कम करती है, एंट्रोपिक रूप से इष्ट है। उदाहरण के लिए, जब दो ऐसे हाइड्रोफोबिक कण बहुत करीब आते हैं, तो उनके आसपास के क्लैथ्रेट जैसी टोकरियाँ विलीन हो जाती हैं। यह पानी के कुछ अणुओं को पानी के बड़े हिस्से में छोड़ देता है, जिससे एन्ट्रापी में वृद्धि होती है।

एंट्रोपिक बल का एक अन्य संबंधित और प्रति-सहज उदाहरण प्रोटीन की तह है, जो एक सहज प्रक्रिया है और जहां हाइड्रोफोबिक प्रभाव भी एक भूमिका निभाता है।[11] पानी में घुलनशील प्रोटीन की संरचनाओं में आमतौर पर एक कोर होता है जिसमें हाइड्रोफोबिक पक्ष श्रृंखला को पानी से दफन किया जाता है, जो मुड़ी हुई अवस्था को स्थिर करता है।[12]आवेशित और रासायनिक ध्रुवीय पक्ष श्रृंखलाएँ विलायक-उजागर सतह पर स्थित होती हैं जहाँ वे आसपास के पानी के अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करती हैं। पानी के संपर्क में आने वाली हाइड्रोफोबिक साइड चेन की संख्या को कम करना तह प्रक्रिया के पीछे प्रमुख प्रेरक शक्ति है,[12][13][14] हालांकि प्रोटीन के भीतर हाइड्रोजन बांड का निर्माण भी प्रोटीन संरचना को स्थिर करता है।[15][16]


कोलाइड्स

कोलाइड्स की भौतिकी में एंट्रोपिक बल महत्वपूर्ण और व्यापक हैं,[17] जहां वे कमी बल के लिए जिम्मेदार हैं, और कठोर कणों का क्रम, जैसे कठोर क्षेत्रों का क्रिस्टलीकरण, कठोर छड़ों के तरल स्फ़टिक चरणों में आइसोट्रोपिक-नेमैटिक संक्रमण, और कठोर पॉलीहेड्रा का क्रम।[17][18] इस वजह से, एन्ट्रोपिक बल स्व-विधानसभा का एक महत्वपूर्ण चालक हो सकता है[17] कण भीड़ से आने वाले परासरण के कारण कोलाइडल सिस्टम में एंट्रोपिक बल उत्पन्न होते हैं। यह पहली बार डिप्लेशन फोर्स#द असाकुरा-ओसावा मॉडल|असाकुरा-ओसावा मॉडल द्वारा वर्णित कोलाइड-बहुलक मिश्रण में खोजा गया था, और इसके लिए सबसे सहज है। इस मॉडल में, पॉलिमर को परिमित आकार के गोले के रूप में अनुमानित किया जाता है जो एक दूसरे में प्रवेश कर सकते हैं, लेकिन कोलाइडल कणों में प्रवेश नहीं कर सकते। कोलाइड्स में प्रवेश करने के लिए पॉलिमर की अक्षमता कोलाइड्स के आसपास एक क्षेत्र की ओर ले जाती है जिसमें बहुलक घनत्व कम हो जाता है। यदि दो कोलाइड के आसपास कम बहुलक घनत्व के क्षेत्र एक दूसरे के साथ ओवरलैप करते हैं, तो एक दूसरे के निकट आने वाले कोलाइड्स के माध्यम से, सिस्टम में पॉलिमर एक अतिरिक्त मुक्त मात्रा प्राप्त करते हैं जो कम घनत्व वाले क्षेत्रों के चौराहे के आयतन के बराबर होता है। अतिरिक्त मुक्त आयतन पॉलिमर की एन्ट्रापी में वृद्धि का कारण बनता है, और उन्हें स्थानीय रूप से घने-भरे समुच्चय बनाने के लिए प्रेरित करता है। इसी तरह का प्रभाव पॉलिमर के बिना पर्याप्त रूप से घने कोलाइडल सिस्टम में होता है, जहां आसमाटिक दबाव स्थानीय घने पैकिंग को भी चलाता है।[17]विभिन्न प्रकार की संरचनाओं में कोलाइड्स का [18]जिसे कणों के आकार को संशोधित करके तर्कसंगत रूप से डिजाइन किया जा सकता है।[19] ये प्रभाव अनिसोट्रोपिक कणों के लिए होते हैं जिन्हें दिशात्मक एन्ट्रोपिक बलों के रूप में संदर्भित किया जाता है।[20][21]


cytoskeleton

जैविक कोशिकाओं में सिकुड़ा बल आमतौर पर साइटोस्केलेटन से जुड़े आणविक मोटर्स द्वारा संचालित होते हैं। हालाँकि, साक्ष्य के बढ़ते शरीर से पता चलता है कि सिकुड़ा हुआ बल भी एन्ट्रोपिक मूल का हो सकता है।[22] मूलभूत उदाहरण सूक्ष्मनलिका क्रॉसलिंकर Ase1 की क्रिया है, जो माइटोटिक धुरी में सूक्ष्मनलिका ओवरलैप के लिए स्थानीयकृत है। Ase1 के अणु सूक्ष्मनलिका ओवरलैप तक ही सीमित हैं, जहां वे एक-विमीय रूप से फैलने के लिए स्वतंत्र हैं। एक कंटेनर में एक आदर्श गैस के अनुरूप, Ase1 के अणु ओवरलैप सिरों पर दबाव उत्पन्न करते हैं। यह दबाव ओवरलैप विस्तार को चलाता है, जिसके परिणामस्वरूप सूक्ष्मनलिकाएं सिकुड़ जाती हैं।[23] एक्टिन साइटोस्केलेटन में एक समान उदाहरण पाया गया। इधर, एक्टिन-बंडलिंग प्रोटीन एनिलिन साइटोकाइनेटिक रिंग्स में एक्टिन सिकुड़न को बढ़ाता है।[24]


विवादास्पद उदाहरण

कुछ बल जिन्हें आम तौर पर बल के रूप में माना जाता है, तर्क दिया गया है कि वे वास्तव में प्रकृति में एन्ट्रोपिक हैं। ये सिद्धांत विवादास्पद बने हुए हैं और चल रहे काम का विषय हैं। मैट विसर, विक्टोरिया यूनिवर्सिटी ऑफ वेलिंगटन, न्यूजीलैंड में कंजर्वेटिव एंट्रोपिक ताकत ेज में गणित के प्रोफेसर हैं[25] चयनित दृष्टिकोणों की आलोचना करता है लेकिन आम तौर पर निष्कर्ष निकालता है:

There is no reasonable doubt concerning the physical reality of entropic forces, and no reasonable doubt that classical (and semi-classical) general relativity is closely related to thermodynamics. Based on the work of Jacobson, Thanu Padmanabhan, and others, there are also good reasons to suspect a thermodynamic interpretation of the fully relativistic Einstein equations might be possible.

गुरुत्वाकर्षण

Main article: Entropic gravity

2009 में, एरिक वर्लिंडे ने तर्क दिया कि गुरुत्वाकर्षण को एक एंट्रोपिक बल के रूप में समझाया जा सकता है।[4] इसने दावा किया (जैकबसन के परिणाम के समान) कि गुरुत्वाकर्षण भौतिक निकायों की स्थिति से जुड़ी जानकारी का परिणाम है। यह मॉडल जेरार्ड 'टी हूफ्ट के होलोग्राफिक सिद्धांत के साथ गुरुत्वाकर्षण के थर्मोडायनामिक दृष्टिकोण को जोड़ता है। तात्पर्य यह है कि गुरुत्वाकर्षण एक मौलिक अंतःक्रिया नहीं है, बल्कि एक उभरती हुई घटना है।[4]


अन्य बल

वर्लिंडे द्वारा शुरू की गई चर्चा के मद्देनजर, अन्य मौलिक बलों के लिए एंट्रोपिक स्पष्टीकरण का सुझाव दिया गया है,[25]कूलम्ब का नियम शामिल है।[26][27] गहरे द्रव्य , काली ऊर्जा और पायनियर विसंगति को समझाने के लिए इसी दृष्टिकोण का तर्क दिया गया था।[28]


अनुकूली व्यवहार के लिंक

यह तर्क दिया गया था कि कारणात्मक एन्ट्रोपिक बल उपकरण के उपयोग और सामाजिक सहयोग के सहज उद्भव की ओर ले जाते हैं।[29][30][31] परिभाषा के अनुसार कॉसल एंट्रोपिक बल वर्तमान और भविष्य के समय के क्षितिज के बीच एन्ट्रापी उत्पादन को अधिकतम करते हैं, बजाय इसके कि विशिष्ट एंट्रोपिक बलों की तरह तात्कालिक एन्ट्रापी उत्पादन को लालची रूप से अधिकतम किया जाए।

प्रकृति, बुद्धि के खोजे गए नियमों की गणितीय संरचना और जटिलता के एन्ट्रापी जैसे उपायों के बीच एक औपचारिक युगपत संबंध पहले 2000 में आंद्रेई सोक्लाकोव द्वारा नोट किया गया था।[32][33] ओकाम के रेजर सिद्धांत के संदर्भ में।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Müller, Ingo (2007). ऊष्मप्रवैगिकी का इतिहास: ऊर्जा और एंट्रॉपी का सिद्धांत. Springer Science & Business Media. p. 115. ISBN 978-3-540-46227-9.
  2. ↑ Roos, Nico (2014). "ब्राउनियन गति में एंट्रोपिक बल". American Journal of Physics. 82 (12): 1161–1166. arXiv:1310.4139. Bibcode:2014AmJPh..82.1161R. doi:10.1119/1.4894381. ISSN 0002-9505. S2CID 119286756.
  3. ↑ 3.0 3.1 Neumann RM (1980). "ब्राउनियन आंदोलन के लिए एंट्रोपिक दृष्टिकोण". American Journal of Physics. 48 (5): 354–357. arXiv:1310.4139. Bibcode:1980AmJPh..48..354N. doi:10.1119/1.12095.
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 Verlinde, Erik (2011). "गुरुत्वाकर्षण की उत्पत्ति और न्यूटन के नियमों पर". Journal of High Energy Physics. 2011 (4): 29. arXiv:1001.0785. Bibcode:2011JHEP...04..029V. doi:10.1007/JHEP04(2011)029. S2CID 3597565.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 Taylor; Tabachnik (2013). "एन्ट्रोपिक बल - बिल्कुल घुलनशील मॉडल में यांत्रिकी और ऊष्मप्रवैगिकी के बीच संबंध बनाना". European Journal of Physics. 34 (3): 729–736. Bibcode:2013EJPh...34..729T. doi:10.1088/0143-0807/34/3/729. S2CID 121469422.
  6. ↑ 6.0 6.1 {{Cite journal |last=Neumann RM |date=1977 |title=एक गैर-बाधित विलायक में एक एकल गॉसियन मैक्रोमोलेक्यूल की एन्ट्रापी|journal=The Journal of Chemical Physics |volume=66 |issue=2 |pages=870–871 |bibcode=1977JChPh..66..870N |doi=10.1063/1.433923}
  7. ↑ Smith, SB; Finzi, L.; Bustamante, C. (1992). "चुंबकीय मोतियों का उपयोग करके एकल डीएनए अणुओं की लोच का प्रत्यक्ष यांत्रिक माप". Science. 258 (5085): 1122–1126. Bibcode:1992Sci...258.1122S. doi:10.1126/science.1439819. PMID 1439819.
  8. ↑ Waters, James T.; Kim, Harold D. (April 18, 2016). "सेमीफ्लेक्सिबल लूप में बल वितरण". Physical Review E. 93 (4): 043315. arXiv:1602.08197. Bibcode:2016PhRvE..93d3315W. doi:10.1103/PhysRevE.93.043315. PMC 5295765. PMID 27176436.
  9. ↑ Keul N. D., Oruganty K., Schaper Bergman E. T., Beattie N. R., McDonald W. E., Kadirvelraj R. et al. (2018). "आंतरिक रूप से अव्यवस्थित खंडों द्वारा उत्पन्न एंट्रोपिक बल प्रोटीन फ़ंक्शन को ट्यून करता है". Nature. 563 (7732): 584–588. Bibcode:2018Natur.563..584K. doi:10.1038/s41586-018-0699-5. PMC 6415545. PMID 30420606.{{cite journal}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)
  10. ↑ हाइड्रोफोबिक प्रभाव पर जीवन विज्ञान लेख का विश्वकोश (PDF). Figure 4. Archived from the original (PDF) on December 22, 2014. Retrieved April 10, 2012.
  11. ↑ "आवश्यक जैव रसायन".
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  14. ↑ Callaway, David J. E. (1994). "Solvent-induced organization: a physical model of folding myoglobin". Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 20 (1): 124–138. arXiv:cond-mat/9406071. Bibcode:1994cond.mat..6071C. doi:10.1002/prot.340200203. PMID 7846023. S2CID 317080.