مروري بر نگاه ترموديناميكي به بيلان آب با تاكيد بر انتروپي و اصل توليد حداكثر انتروپي

A review on Thermodynamics in Water Cycle with Emphasizing on Entropy and Maximum Entropy Production Principle

در نگاه ترموديناميكي به چرخه هيدرولوژي، اين چرخه از طريق فرايندهاي ترموديناميك به سوي وضعيت غيرتعادلي ترموديناميكي و توليد حداكثر انتروپي پيش مي‌رود. لذا امكان شناخت و توصيف آن از طريق محاسبه نرخ توليد انتروپي و اصل توليد حداكثر انتروپي (MEP) وجود دارد. بر طبق اصل MEP اگر در يك سيستم به اندازه كافي درجه آزادي وجود داشته باشد، آن سيستم وضعيت پايدار را اتخاذ خواهد كرد، به طوري كه توليد انتروپي در آن تحت محدوديت‌هاي موجود حداكثر مي شود. اصل MEP ميتواند به برآورد مؤلفه ها و پارامترهاي هيدرولوژيكي در حوزه آبخيز بدون نياز به شناخت تفصيلي مشخصات سيستم كمك نمايد. با توجه به اهميت اين موضوع در علم مدل سازي هيدرولوژيكي و كمبود منابع فارسي در اين زمينه، مطالعه حاضر با استفاده از منابع علمي معتبر چرخه هيدرولوژي را با نگاه ترموديناميكي مورد بررسي قرار مي‌دهد. در اين مطالعه چرخه هيدرولوژي به عنوان يك سيستم ترموديناميكي مورد توجه قرار مي گيرد و نحوه محاسبه نرخ توليد انتروپي توسط هر يك از مؤلفه‌هاي بيلان آب ذكر ميشود. همچنين، نحوه برآورد مؤلفه‌هاي هيدرولوژيكي با استفاده از اصل MEP در خلال يك مثال ساده بيان مي شود. به طور كلي، اصل MEP نويدي بزرگ است براي شناخت بهتر فرآيندهاي هيدرولوژيكي درون سيستم زمين و توسعه مدل‌ها بر اساس ترموديناميك غيرتعادلي.

Hydrological cycle is directed into thermodynamic non-equilibrium state and maximum entropy production through thermodynamic processes. Therefore, it is possible to understand and describe hydrological cycle through computation of entropy production rate and the maximum entropy production principle (MEP). Based on MEP, if there are sufficient degrees of freedom within a system, it will adopt a steady state at which entropy production is maximized under existing restrictions. This principle can help to estimate the hydrological components and parameters without need for detailed understanding of watershed characteristics. Due to the importance of this issue in the science of hydrological modeling and the lack of Persian resources in this field, the present study examines the hydrological cycle from a thermodynamic point of view using valid scientific sources. In this study, the hydrological cycle is considered as a thermodynamic system and the method of calculating entropy production rate by components of water balance is presented. Also, how to estimate hydrological components using the MEP principle is explained in a simple example. Overall, the MEP principle holds great promise for equipping us with a better understanding of the organization of hydrological processes within the Earth system and development of the models based on non-equilibrium thermodynamic.