القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ينص القانون الثاني للثرموديناميكا على أن الأنتروبي الكلية لنظام معزول يمكنها أن تزداد مع مرور الوقت أو أن تظل ثابتة في الحالات المثالية عندما يكون النظام في حالة ثابتة أو يمر بعملية انعكاسية. تعبر الزيادة في الأنتروبي عن ان جميع الانظمة تحدث بها عمليات لا انعكاسية.

تاريخيا، فإن القانون الثاني كان عملية تجريبية حتى تم الموافقة عليه كحقيقة مسلمة.

تم التعبير عن القانون الثاني بطرق مختلفة. التعبير الأول له تم عن طريق العالم الفرنسي كارنو في عام 1824 والذي أوضح أن هناك حد أعلى لكفاءة تحويل الحرارة إلى شغل في محرك حراري.

مقــدمة

يقدم القانون الأول للديناميكا الحرارية التعريف المبدأي للطاقة الداخلية المتعلقة بكل أنظمة الديناميكا الحرارية، كما أنه يبرز قاعدة تحويل الطاقة.[1][2]  يرتبط القانون الثاني مع اتجاه العمليات الطبيعية. يؤكد القانون الثاني على أن العملية الطبيعية تسير في اتجاه واحد وليست انعكاسية.[3]  فعلى سبيل المثال تسير الحرارة تلقائيا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد وليس العكس إذا لم يؤثر شغل خارجي على النظام.[4][5]

في عملية انعكاسية تخيلية، فإنه يوجد زيادة متناهية الصغر مقدراها (dS) للنظام وتنتج عن الانتقال للحرارة مقدراها (δQ) إلى النظام المغلق تعرف بدرجة حرارة النظام وكمية الحرارة التي تنتقل من المحيط إليه:

(نظام مغلق، عملية انعكاسية مثالية تخيلية)

تستخدم الترميزات المختلفة للكميات متناهية الصغر من الحرارة (δ) وكميات الأنتروبي (d) لان الأنتروبي هي دالة حالة بينما الحرارة مثل الشغل ليست كذلك. يتطلب القانون الثاني أن الزيادة في الأنتروبي تكون أكبر من الكمية الأخرى في حالة عدم انتقال للمادة من النظام إلى المحيط::[6]

(نظام مغلق، عملية حقيقة، غير انعكاسية)

ينتج هذا لانه من الممكن أن يؤثر شغل خارجي على النظام لواسطة المحيط الذي يكون له تأثير لزوجة وتأثير احتكاك على النظام، كما ان الحرارة المنتقلة تحدث بطريقة غير انعكاسية نتيجة وجود اختلاف في درجة الحرارة.[7][8]

القانون الصفري للديناميكا الحرارية يسمح بإدراك أن أي جسمين في حالة إتزان حراري يكون لها نفس درجة الحرارة. يسمح القانون الثاني بمقياس درجة حرارة متميز وهو درجة الحرارة المطلقة التي لا تعتمد على خواص أي جسم مرجعي.[9][10][10]

منطوق القانون الثانى

يمكن التعبير عن القانون الثاني بصور مختلفة.[11] المنطوق الأكثر شهرة هو منطوق كلازيوس 1854، لورد كيلفن 1851 ومنطوق كونستانتن (Constantin Carathéodory) 1909).

مبدأ كارنو

الأصل التاريخي للقانون الثاني هو مبدأ كارنو. فهو يشير إلى محرك كارنو الحراري الذي يعمل في نظام شبه ثابت لذلك فإن الحرارة والشغل تنتقل بين نظامين الحالة الداخلية لهم متزنة حراريا. محرك كارنو هو جهاز مثالي له اهتمام خاص بالمهندسين المهتمين بكفاءة المحركات الحرارية. قام كارنو بإعادة تعريف مبدأه عندما تم إنشاء نظرية السيال الحراري قبل التعرف على القانون الأول وقبل ظهور التعريف الرياضي للإنتروبي. في ضوء تفسير القانون الثاني فإنه فيزيائيا يساوي القانون الثاني وحتى الآن فهو متاح. ينص على: كفاءة دورة كارنو الانعكاسية أو الشبه ثابتة تعتمد فقط على درجة حرارة الخزانين الحرارين أيا كانت المادة العاملة. محرك كارنو الذي يعمل بهذه الطريقة هو أفضل محرك من حيث الكفاءة يستخدم درجات الحرارة هذه..[12][13][14][15][16][17][18]

منطوق كلازيوس

اوجد العالم الألماني كلازيوس القانون الثاني للديناميكا الحرارية عام 1850 عن طريق البحث في العلاقة بين انتقال الحرارة والشغل. تم إطلاق منطوقه عام 1854 وسمي باسمه منطوق كلازيوس.

يستخدم منطوق كلازيوس مبدأ مسار الحرارة حيث أنه لا يمكن للحرارة تلقائيا ان تنتقل من الجسم البارد إلى الجسم الساخن دون بذل شغل خارجي على النظام. فعلى سبيل المثال في الثلاجة تنتقل الحرارة من البارد للساخن ولكن باستخدام شغل خارجي.

منطوق كيلفن

عبر كيلفن عن القانون الثاني كلأتي:

من المستحيل استخلاص تأثير ميكانيكي من أي مادة عن طريق تبريدها إلى درجة حرارة تحت أقل درجة حرارة لمادة بجوارها.

مساواة منطوق كلازيوس وكيلفن

Derive Kelvin Statement from Clausius Statement

نفرض ان هناك محرك يعمل بمنطوق كيلفن حيث يحول الحرارة إلى شغل وتم توصيله بمحرك كارنو كما هو مبين بالشكل، فإن المحرك الجديد الناتج عن هذا يقوم بنقل الحرارة من الخزان البارد إلى الخزان الساخن الذي ينتهك منطوق كلازيوس.

افتراض بلانك

عرض بلانك هذا الافتراض والذي يمكن اعتباره احيانا منطوقه للقانون الثاني ولكنه اعتبره نقطة البداية لاستنتاج القانون الثاني.

من المستحيل إنشاء محرك يعمل في دورة كاملة ولا ينتج عنه تأثير سوى زيادة الوزن وتبريد الخزان الحراري.[19][20]

الأنظمة الميكرونية

نظريات الحرارة وبالتالي القانون الثاني للحرارة تتعلق بالأنظمة الكبيرة المكونة من عدد كبير من الذرات أو الجزيئات والمتميزة بدرجة حرارة معينة. فعلى سبيل المثال في نظام يحتوي على جزيئين فقط توجد احتمال لكي يعطي الجزيء البطيء (البارد) طاقة إلى جزيء سريع (ساخن). فمثل هذا النظام يخرج من إطار دراسة الديناميكا الحرارية ويمكن دراستها في إطار الديناميكا الحرارية الكمومية وباستخدام الديناميكا الإحصائية. في أي نظام معزول ويحتوي على عدة بيكوجرام من المادة يصبح احتمال مشاهدة انخفاض في الإنتروبية تكاد تكون معدومة. هذا ما صرح به الفيزيائي الروسي ليف لانداو.

انتشار الطاقة

يتعامل القانون الثاني للحرارة مع الحرارة والضغط والإنتروبيا والاتجاه الذي يسير فيه عملية من العمليات الحرارية. وعلى سبيل المثال: فالقانون الثاني ينص على عدم إمكانية انتقال الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن، بل العكس هو الصحيح أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. كما يقول أيضا أن الطاقة المركزة الموجودة في نظام معزول تنتشر وتتوزع فيه بالتساوي مع مرور الزمن. أي أن انتشار الطاقة في نظام يعني ان الاختلافات في تركيز الطاقة تميل أن تختفي بمرور الوقت، فتتساوى درجة الحرارة، ويتساوى الضغط ، وتتساوي الكثافة. كما يمكن القول بأن الانتروبيا - وهي إحدى تلك الخصائص - يمكن أخذها مقياس لانتشار الطاقة أو الحرارة. وعلى ذلك فالقانون الثاني للحرارة يتعلق بالإنتروبيا.

الصيغة الرياضية للقانون الثاني للحرارة

صاغ العالم الألماني رودولف كلاوسيوس عام 1856 ما أسماه القانون الثاني للديناميكا الحرارية في الشكل التالي:

حيث:

Q كمية الحرارة، وتقاس بالجول ،

T درجة الحرارة، وتقاس ب كلفن.

N "كمية مكافئة " لجميع التحويلات المجهولة في عملية دورية. ثم قام عام 1865 بتعريف "الكمية المكافئة " إنتروبيا. وعلى أساس هذا التعريف قدم كلاوسيوس في نفس العام بتقديم الصيغة الشهيرة خلال محاضرة في الجمعية الفلسفية بزيوريخ المنعقدة في 42 أبريل حيث قال في ختام محاضرته:

تميل الإنتروبية في الكون إلى نهاية عظمى

ويعتبر هذا النص أشهر نص للقانون الثاني. ونظرا للتعريف الواسع الذي يتضمنه هذا القانون، حيث يشمل الكون كله من دون أي تحديد لحالته، سواء كان كونا مفتوحا أو مغلقا أو معزولا لكي تنطبق عليه صيغة القانون، يتصور كثير من الناس أن الصيغة الجديدة تعني أن القانون الثاني للحرارة ينطبق على كل شيء يمكن تصوره.ولكن هذا ليس صحيحا فالصيغة الجديدة ماهي إلا تبسيط لحقيقة أعقد من ذلك.

وبمرور السنين اتخذت الصيغة الرياضية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية في حالة نظام معزول تجري فيه تحولات معينة الشكل التالي:

حيث:

S الانتروبي (entropy)،:t الزمن.

أنظر أيضا ً

مراجع

  1. ماكس بلانك (1897/1903), pp. 40–41.
  2. Munster A. (1970), pp. 8–9, 50–51.
  3. Mandl 1988
  4. ماكس بلانك (1897/1903), pp. 79–107.
  5. Bailyn, M. (1994), Section 71, pp. 113–154.
  6. Bailyn, M. (1994), p. 120.
  7. Adkins, C.J. (1968/1983), p. 75.
  8. Münster, A. (1970), p. 45.
  9. Zemansky, M.W. (1968), pp. 207–209.
  10. Quinn, T.J. (1983), p. 8.
  11. "Concept and Statements of the Second Law". web.mit.edu. مؤرشف من الأصل في 27 سبتمبر 2018. اطلع عليه بتاريخ 07 أكتوبر 2010. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  12. سادي كارنو (1824/1986).
  13. Truesdell, C. (1980), Chapter 5.
  14. Adkins, C.J. (1968/1983), pp. 56–58.
  15. Münster, A. (1970), p. 11.
  16. Kondepudi, D., إيليا بريغوجين (1998), pp.67–75.
  17. Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008), p. 10.
  18. Eu, B.C. (2002), pp. 32–35.
  19. ماكس بلانك (1897/1903), p. 86.
  20. Roberts, J.K., Miller, A.R. (1928/1960), p. 319.
  21. Clausius theorem at ولفرام ريسيرتش نسخة محفوظة 27 أبريل 2006 على موقع واي باك مشين.
    • بوابة الفيزياء
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.