القانون الثاني للديناميكا الحرارية
القانون الثاني للديناميكا الحرارية حاز على اهتمام الكثير من العلماء والدارسين، وتوجد له العديد من صيغ متعددة تنتمي لأكثر من عالم من بينهم العالم الفرنسي كارنو، والألماني رودولف كلاوزيوس، والفيزيائي الشهير وليام طومسون، كما تشرح كل صيغة منهم جزءً من الواقع بصورة مختلفة عن الأخرى، وسنتعرف عليهم جميعا من خلال منصة وميض.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يعتمد القانون الثاني للديناميكا الحرارية على وجود علاقات بين الحرارة والضغط وما يسمى انتروبيا والمنوال الذي تتحرك فيه العمليات التلقائية لانتقال الحرارة من جسم لآخر، وينص على “عدم إمكانية انتقال الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن ولكن العكس هو الصحيح أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد”، وتتعدد صيغ هذا القانون حسب كل عالم من العلماء الذين ساهموا في تطوير هذه النظريات والقوانين، وسوف نتعرف عليهم عبر الفقرات التالية:
1- مبدأ كارنو
أنشئ هذا العالم محرك كارنو الحراري يعمل وفقا لدورة كارنو الانعكاسية، وقد اكتشف النموذج الأولي في عام 1824م، ويقوم المحرك بتحويل الطاقة من الأجسام الأعلى حرارة للأجسام الأقل حرارة مع اقتصاص جزء منها وتحويله لشغل ميكانيكي، وهو المبدأ الذي نشأت عنه فكرة عمل الثلاجة والمضخات الحرارية.
2- منطوق كلاوزيوس
قام العالم الألماني بعمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية في عام 1850م، من خلال محاولة فهم الرابط بين انتقال الحرارة والشغل المبذول.
3- منطوق كلفن
قام كلفن بإيجاد صيغة مختلفة للقانون، حيث وضح أنه غير ممكن أن يتم استنباط التأثير الميكانيكي من أي مادة، من خلال تبريدها إلى درجة حرارة أقل من المادة الملامسة لها.
4- افتراض بلانك
يخبرنا العالم بلانك بأنه من المستحيل القيام بعمل محرك يقوم بعمل دورة، ولا ينجم عنه غير زيادة وزن وتبريد الخزان الحراري.
اقرأ أيضًا: الفرق بين العلم والمعرفة
مفهوم الانتروبي
يمكن قياس وصف مدى الفوضى والتشتت والعشوائية الموجودة بين الجزيئات مما يعني أنه يمكن قياس الانتروبي وهو مقياس الطاقة.
مفهوم الانتروبي يعد من الكميات الفيزيائية المهمة، التي من خلالها أصبح من المستطاع فهم الكثير من العمليات الفيزيائية والكيميائية، ومفهوم الانتروبي من المفاهيم المربكة والتي بها شيء من الغموض ولكننا سوف نتعامل معه بشكل عام، وهو مقياس لعدم الانتظام والفوضى.
في حال تم تسخين الجسم أي تم إضافة حرارة إلى النظام فإن الانتروبي يزداد وحين يتم تبريد الجسم بمعنى أن يتم انتزاع الحرارة من الجسم فأن الانتروبي ينقص ويقل، فالتغيير الحاصل في الانتروبي يساوى مقدار كمية الحرارة المضافة إلى الجسم مقسوم على درجة الحرارة، ووحدات القياس المعتمدة هي:
- الجول J لقياس الطاقة الحرارية.
- درجة الحرارة بالكلفن K
- يقاس الانتروبيJ/k
ما الذي يمكن قياسه في النظام الفيزيائي
إذا كان هناك غاز محصور في اسطوانة فهو يسمي نظام مغلق هذا النظام يمكن وصفه بعدد من القيم الفيزيائية مثل:
- درجة الحرار(T)
- الحجم (V)
- الضغط (P)
- الطاقة الداخلية (U)
أمثلة على عمليات القانون الثاني للديناميكا الحرارية
انتقال الحرارة من الجسم الساخن للجسم البارد بشكل تلقائي وبدون مساعدة خارجية، ولكن حدوث العكس وهو انتقال الحرارة من الجسم البارد للجسم الساخن من المستحيلات أن تحدث بشكل طبيعي وتلقائي.
الألة الحرارية مستحيل أن تحول الحرارة بشكل كامل إلى طاقة ميكانيكية أو شغل إنما الشيء الطبيعي والتلقائي إن يتم طردها إلى المستودع الطارد ولا يمكن أن تولد الحرارة أو تصبح ضائعة أو مفقودة، أما لو كان لدينا غاز محبوس فإن الشيء الطبيعي والتلقائي هو الحركة العشوائية لذرات الغاز ولا يمكن أن ترتب ذرات الغاز نفسها تلقائيا في أنماط معينة.
لفهم أدق للقانون الثاني في الديناميكا الحرارية، نقوم بالنظر لشمعة مشتعلة نجد أنها تذوب وتقل بمرور الوقت وليس العكس فلم يأت يوم لشمعة أن بدأت بناء نفسها بعد الذوبان بشكل طبيعي وتلقائي، بمعنى أن عملية الذوبان والتناقص التي تحدث للشمعة هي الأمر الطبيعي والتلقائي.
إذا فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يهتم بالاتجاه الطبيعي والتلقائي للأحداث، بمعنى أن القانون الثاني في ديناميكا الحرارية يقوم بتحديد الشروط والظروف المصاحبة للأحداث التلقائية التي تحدث في عالمنا.
يمكننا القول إن القانون الثاني في الديناميكا الحرارية يقوم بتعريف العمليات التلقائية، ينص على أن العمليات التلقائية والطبيعية تحرى في اتجاه المحافظة على الانتروبي الكلي أو زيادته.
اقرأ أيضًا: بحث عن الكيمياء في حياتنا كامل مقدمة وعرض وخاتمة
مقارنة بين حالات المادة المختلفة من حيث الانتروبي
الانتروبي في الحالة الغازية أكبر من الانتروبي في الحالة السائلة، والانتروبي للحالة السائلة أكبر من للحالة الصلبة، كما نلاحظ كلما زادت الحركة في الجزيئات وذرات المادة زادت الفوضى أو العشوائية بمعنى زاد الانتروبي.
تفسير العمليات التلقائية بناءً على القانون الثاني
إلقاء بعض قطرات الحبر في كوب ماء يتم ملاحظة انتشار الحبر خلال الماء رويدا رويدا حتى يصل إلى الامتزاج في الماء بالكامل وتغير لون الماء للأزرق، إلى وصول الكوب لحالة التجانس التام حيث وهي حالة تساوي توزيع جزيئات الحبر دخل جزيئات الماء الذي حدث هنا هو مثال طبيعي على عملية تلقائية تحدث دون أي تدخل أو مساعدة خارجية.
إذا قمنا بحساب التغير في الانتروبي الحاصل بعد هذه العملية سوف نجد الانتروبى يزداد، هو ما يحقق القانون الثاني، والتفسير الثاني هو انتقال الحرارة من الأجسام الحارة إلى الأجسام الباردة بشكل تلقائي، العلماء الذين حسبوا الانتروبي لهذه العملية وجدوا أنه يزداد مما يحقق القانون الثاني.
اقرأ أيضًا: اسئلة ذكاء رياضيات مع الحل
العلاقة بين القانون الأول والعمليات التلقائية في القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يهتم القانون الأول بمبدأ حفظ الطاقة بافتراض أن هناك جسم ساخن يحتوي على 8 وحدات طاقة حرارية، ويلامس جسم بارد يحتوي على 4 وحدات حرارية فإننا نلاحظ وجود إجمالا 12 وحدة طاقة حرارية كمجموع كلي للطاقة، بعد التلامس يتم انتقال قدر من وحدات الكافة من الجسم الساخن للجسم البارد بافتراض أنه تم انتقال وحدتين من الطاقة لحصوله على التوازن يتبادر للذهن سؤال:
هل الطاقة محفوظة نعم فإنها قبل العملية كانت وحدات الطاقة في المجمل 12 وحدة حرارية وبعد التلامس فإنها ما زالت 12 ولكن مع اختلاف التوزيع إذا فأن القانون الأول للديناميكا الحرارية متحقق.
ومع افتراض حدوث الأمر بشكل معاكس أي انتقال الحرارة من الجسم البارد للجسم الساخن أي اعتبار أنه انتقل 3 وحدات حرارية بمعنى أن الجسم البارد زاد برودة والجسم الساخن زاد سخونة، تكون إجابة سؤال هل الطاقة ما زالت محفوظة فالإجابة نعم فقبل العملية كان مجموع الطاقة 12 وحدة وبعدها ظل المجموع نفسه كما هو 12 وحدة، وبالتالي فإن القانون الأول متحقق مع العلم بأنه يستحيل حدوث أمر مشابه مع أنه يحقق القانون الأول مما يشير إلى أن بعض العمليات تتوافق مع القانون الأول رغم استحالة حدوثها بشكل تلقائي في عالمنا الطبيعي.
بالتالي فعند السؤال ما هو القانون الذي يقوم أخبارنا عن إمكانية حدوث عملية أو وقوع حدث من عدمها؟ تكون الإجابة هي أن هذا القانون هو القانون الثاني في الديناميكا الحرارية فهو الذي يحدد المسار الطبيعي والتلقائي للأحداث.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية وضح العديد من الأمور التي حيرت العلماء على مدار سنين، وبفضل جهود العلماء يظهر كل يوم استنتاج جديد يجعلنا نرى الحياة من منظور مختلف.