القانون الثاني للديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية هو العلم الذي يدرس الحرارة ويشتمل علم الديناميكا الحرارية على ثلاثة قوانين رئيسية لها أهمية بالغة لتأثيرها على حياتنا العملية وكذلك وتأثيرها على الكون برمته .
من هنا نجد أن القانون الثاني للحرارة قد حظي باهتمام علماء كثيرين ، بحيث توجد لهذا القانون عدة صيغ ، ترجع كل صيغة منها إلى أحد العلماء البارزين . ولا نجد في مجال العلوم حالة مماثلة .
ونذكر هنا الثلاثة صيغ للقانون الثاني للحرارة ، كل صيغة ترى الواقع من زاوية معينة ، ولكنها تتحد جميعا في المعنى.
الصيغة الأولى وهي تتضمن انتقال الحرارة :
من المستحيل أن تنتقل كمية من الحرارة من جسم عند درجة حرارة منخفضة إلى جسم عند درجة حرارة مرتفعة إلا ببذل شغل من الخارج .
الصيغة الثانية وهي تتضمن الاعتلاج (الإنتروبية ):
يتزايد اعتلاج (أنتروبية )أي نظام معزول مع الوقت ، ويميل لكي يصل إلى نهاية عظمى سواء في النظام المعزول أو في الكون.
الصيغة الثالثة وهي تتضمن تحول الطاقة الحرارية إلى شغل:
من المستحيل تحويل الطاقة الحرارية بأكملها إلى شغل بوساطة عملية دورية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
مقــدمة
الأنظمة الفيزيائية المايكرووية
في إطار الأنظمة الفيزيائية المايكرووية (in the framework of microphysical systems) 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 جزيئ سريع (ساخن ) . فمثل هذا النظام يخرج من إطار دراسة الديناميكا الحرارية ويمكن دراستها في إطار الميكانيكا الإحصائية (statistical mechanics) أو ما يـُسـَمـّى أيضاً بـالديناميكا الحرارية الإحصائية (statistical thermodynamics) وباستخدام الإحصائية الكمومية (quantum statistics). في أي نظام معزول ويحتوي على عدة بيكوجرام من المادة يصبح احتمال مشاهدة انخفاض في الإنتروبية تكاد تكون معدومة . هذا ما صرح به العام الروسي الكبير لانداو .
أنتشار الطاقة
يتعامل القانون الثاني للحرارة مع الحرارة و الضغط و الانتروبية 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 . كما يقول أيضا أن الطاقة المركزة تنتشر في أي نظام معزول مع الوقت . أي أن انتشار الطاقة يعني ان الاختلافات تميل أن تختفي من وجهة اختلاف درجة الحرارة ، و الضغط ، و الكثافة . كما يمكن القول بأن الانتروبية هي مقياس لانتشار الطاقة ، وعلى ذلك فالقانون الثاني للحرارة يتعلق بالاعتلاج (الانتروبية ).
الصيغة الرياضية للقانون الثاني للحرارة
صاغ العالم الألماني رودلف كلاوزيوس عام 1856 ما أسماه القانون الثاني في الميكانيكا الحرارية في الشكل التالي:
حيث :
Q الحرارة ،
T درجة الحرارة
N "كمية مكافئة " لجميع التحويلات المجهولة في عملية دورية . ثم قام عام 1865 بتعريف "الكمية المكافئة " إنتروبية. 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 :
يميل الانتروبية 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 للحرارة في حالة نظام معزول تجري فيه تحولات معينة الشكل التالي :
حيث :
- S الانتروبية (entropy) ،
- t الزمن .