لقد جذب القانون الثاني للديناميكا الحرارية اهتمام العديد من العلماء والدارسين، وهناك العديد من الصيغ المختلفة المنسوبة إلى أكثر من عالم، منهم العالم الفرنسي كارنو، والألماني رودولف كلاوسيوس، وعالم الفيزياء الشهير ويليام طومسون. يفسر جزءًا من الواقع بشكل مختلف عن الآخر. سنتعرف عليهم جميعا من خلال…

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ويرتكز القانون الثاني للديناميكا الحرارية على وجود علاقة بين الحرارة والضغط وما يسمى بالإنتروبيا – وهو النمط الذي تنتقل من خلاله العمليات التلقائية لانتقال الحرارة من جسم إلى آخر. وينص على: “لا يمكن أن تنتقل الحرارة من جسم بارد إلى جسم حار، بل العكس صحيح أيضاً: تنتقل الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد”، وهناك أشكال عديدة لهذا القانون، بحسب كل منها. العلماء الذين ساهموا في تطوير هذه النظريات والقوانين، وسنتعرف عليهم من خلال الفقرات التالية:

1- مبدأ كارنو

ابتكر هذا العالم محرك كارنو الحراري الذي يعمل على دورة كارنوت العكسية، اكتشف النموذج الأول عام 1824م، يقوم المحرك بتحويل الطاقة من الأجسام ذات درجة الحرارة الأعلى إلى الأجسام ذات درجة الحرارة الأقل، فيقطع جزء منها ويحولها إلى ميكانيكية العمل، وهذا هو المبدأ الذي نشأت منه فكرة الثلاجات والمضخات الحرارية.

2- نطق كلوزيوس

أنشأ عالم ألماني القانون الثاني للديناميكا الحرارية عام 1850م أثناء محاولته فهم العلاقة بين انتقال الحرارة والشغل المبذول.

3- نطق كلفن

ووجد كلفن صيغة أخرى للقانون، حيث بين أنه من المستحيل الحصول على تأثير ميكانيكي من أي مادة عن طريق تبريدها إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة المادة الملامسة لها.

4- افتراض بلانك

يخبرنا العالم بلانك أنه من المستحيل صنع دورة محرك تزيد الوزن وتبرد خزان الحرارة.

مفهوم الانتروبيا

ويمكن قياسها من خلال وصف درجة الفوضى والتشتت والعشوائية الموجودة بين الجزيئات، مما يعني إمكانية قياس الإنتروبيا، وهي مقياس للطاقة.

يعد مفهوم الإنتروبيا أحد الكميات الفيزيائية المهمة، والتي بفضلها أصبح فهم العديد من العمليات الفيزيائية والكيميائية ممكنا، ويعد مفهوم الإنتروبيا من المفاهيم المحيرة التي بها بعض الغموض، ولكننا سنفهمها بشكل عام لأنه مقياس للاضطراب والفوضى.

إذا سخن الجسم، أي أضيفت الحرارة إلى النظام، تزداد الإنتروبيا، وعندما يبرد الجسم، أي أزيلت الحرارة من الجسم، تتناقص الإنتروبيا وتتناقص. التغير في الإنتروبيا يساوي كمية الحرارة المنقولة إلى الجسم مقسومة على درجة الحرارة؛ وحدات القياس المعتمدة هي:

  • الجول هو مقياس للطاقة الحرارية.
  • درجة الحرارة في كلفن ك
  • يتم قياس الإنتروبيا بـ J/k.

ما الذي يمكن قياسه في النظام المادي؟

في حالة وجود غاز في الأسطوانة يسمى النظام المغلق، ويمكن وصف هذا النظام بعدد من الكميات الفيزيائية، مثل:

  • درجة الحرارة (ر)
  • الحجم (الخامس)
  • الضغط (ف)
  • الطاقة الداخلية (U)

نحن ندعوك للقراءة

أمثلة على عمليات القانون الثاني للديناميكا الحرارية

تنتقل الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد تلقائيا ودون مساعدة خارجية، لكن العكس، أي انتقال الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن، لا يمكن أن يحدث بشكل طبيعي وتلقائي.

لا يستطيع المحرك الحراري تحويل الحرارة بشكل كامل إلى طاقة ميكانيكية أو شغل. بل من الطبيعي والتلقائي أن يتم إطلاقه في خزان الإزاحة ولا يمكن أن يولد حرارة أو يضيع أو يضيع. ومع ذلك، إذا كان لدينا غاز محصور، فإن الحركة العشوائية لذرات الغاز تكون طبيعية وتلقائية، ولا يمكن لذرات الغاز ترتيب نفسها تلقائيًا في هياكل معينة.

لفهم القانون الثاني للديناميكا الحرارية بشكل أفضل، ننظر إلى شمعة مشتعلة فنجد أنها تذوب وتنكمش مع مرور الوقت، وليس العكس. لم يمر يوم تبدأ فيه الشمعة بالتشكل بعد الذوبان الطبيعي وتلقائياً، أي أن عملية الذوبان والانكماش التي تحدث بالشمعة هي عملية طبيعية وتلقائية.

لذا فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتناول الاتجاه الطبيعي والعفوي للأحداث، مما يعني أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدد الظروف التي تصاحب الأحداث العفوية التي تحدث في عالمنا.

يمكن القول أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدد العمليات التلقائية وينص على أن العمليات التلقائية والطبيعية تميل إلى الحفاظ على الإنتروبيا الإجمالية أو زيادتها.

مقارنة حالات المادة المختلفة من حيث الإنتروبيا

الإنتروبيا في الحالة الغازية أكبر من الإنتروبيا في الحالة السائلة، والإنتروبيا في الحالة السائلة أكبر من إنتروبيا الحالة الصلبة، وكما نلاحظ أنه كلما زادت حركة جزيئات وذرات المادة كلما زادت الفوضى أو العشوائية، مما يعني أنه كلما زادت الإنتروبيا.

تفسير العمليات التلقائية على أساس القانون الثاني

ويلاحظ أنه بإسقاط بضع قطرات من الحبر في كوب الماء، يتوزع الحبر تدريجياً في جميع أنحاء الماء حتى يصل إلى الاختلاط التام مع الماء ويتغير لون الماء إلى اللون الأزرق حتى يصل الكوب إلى حالة الامتلاء. التوحيد. وهي الحالة التي يكون فيها توزيع جزيئات الحبر مساوياً لإمداد جزيئات الماء، وما حدث هنا هو مثال طبيعي لعملية تلقائية تحدث دون أي تدخل أو مساعدة خارجية.

وإذا حسبنا التغير في الإنتروبيا الذي يحدث بعد هذه العملية نجد أن الإنتروبيا تزداد، وهو ما يحقق القانون الثاني، والتفسير الثاني هو انتقال الحرارة تلقائيا من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة، والعلماء الذين حسبوا الإنتروبيا لهذه العملية ووجد أنه يزيد، وهو ما يتوافق مع القانون الثاني.

العلاقة بين القانون الأول والعمليات التلقائية في القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول يتعلق بمبدأ حفظ الطاقة، فلو فرض أن هناك جسما ساخنا يحتوي على 8 وحدات من الطاقة الحرارية ولامس جسما باردا يحتوي على 4 وحدات من الطاقة الحرارية، نلاحظ أن مجموع الطاقة الحرارية هو 12 وحدة. الطاقة باعتبارها الكمية الإجمالية للطاقة، وبعد الاتصال تنتقل كمية من جميع الوحدات من الجسم الساخن إلى الجسم، وبافتراض أنه تم نقل وحدتين من الطاقة لتحقيق التوازن، فإن السؤال الذي يتبادر إلى الذهن هو:

هل الطاقة محفوظة؟نعم، قبل العملية كان هناك 12 وحدة طاقة إجمالية، وبعد الاتصال لا يزال هناك 12 منها، ولكن مع اختلاف التوزيع، يتم استيفاء القانون الأول للديناميكا الحرارية.

ولو افترضنا أن العكس قد حدث، أي انتقال الحرارة من جسم بارد إلى جسم حار، أي باعتبار أنه تم نقل 3 وحدات حرارية، أي أن الجسم البارد أصبح أكثر برودة، والجسم الساخن أصبح أكثر سخونة، إذن جواب سؤال هل الطاقة ما زالت محفوظة الجواب نعم قبل العملية كانت الطاقة الكلية 12 وحدة وبعدها يبقى المجموع كما هو 12 وحدة وبالتالي يتحقق القانون الأول مع العلم أنه من المستحيل أن يحدث شيء مثل هذا، حتى لو كان مطابقًا للقانون الأول، مما يدل على أن بعض العمليات تتوافق مع القانون الأول على الرغم من أنها لا يمكن أن تحدث تلقائيًا في عالمنا الطبيعي.

لذلك، على السؤال: ما هو القانون الذي يخبرنا عن إمكانية حدوث أو عدم وجود عملية أو حدث؟ الجواب هو أن هذا القانون هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية لأنه يحدد المسار الطبيعي والتلقائي للأحداث.

يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية أشياء كثيرة حيرت العلماء لسنوات، وبفضل جهود العلماء، كل يوم تظهر نتيجة جديدة تجعلنا ننظر إلى الحياة من منظور مختلف.