القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يعتمد القانون الثاني للديناميكا الحرارية على وجود العلاقات بين الحرارة والضغط وما يسمى بالانتروبيا وعلى الطريقة التي تحدث بها العمليات العفوية لانتقال الحرارة من جسم إلَّى آخر. جسد بارد ”. وهناك صيغ متعددة لهذا القانون حسب كل من العلماء الذين ساهموا فِيْ تطوير هذه النظريات والقوانين، وسوف نتعرف عليها من خلال الفقرات التالية

1- مبدأ كارنو

ابتكر هذا العالم محرك كارنو الحراري الذي يعمل وفقًا لدورة كارنو العكسية وتم اكتشاف النموذج الأولي فِيْ عام 1824 بعد الميلاد ويقوم المحرك بتحويل الطاقة من الأجسام ذات درجة الحرارة المرتفعة إلَّى الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة عَنّْ طريق قطع جزء منها وتحويله إلَّى ميكانيكي. العمل وهُو المبدأ الذي أدى إلَّى نشوء فكرة عمل الثلاجة والمضخة الحرارية.

2- بيان كلوسيوس

أنشأ عالم ألماني القانون الثاني للديناميكا الحرارية فِيْ عام 1850 بعد الميلاد من خلال محاولة فهم العلاقة بين انتقال الحرارة والعمل المنجز.

3- بيان كلفن

وجد كلفن نسخة أخرى من القانون توضح أنه لا يمكن اشتقاق أي تأثير ميكانيكي من أي مادة عَنّْ طريق تبريدها إلَّى درجة حرارة أقل من درجة حرارة المادة الملامسة لها.

4- افتراض بلانك

يخبرنا بلانك أنه من المستحيل صنع محرك يقوم بالدورة، وهذا فقط يضيف كتلة ويبرد المشتت الحراري.

مفهُوم الانتروبيا

يمكن قياسه لوصف مدى الفوضى والتشتت والعشوائية الموجودة بين الجزيئات، مما يعَنّْي أنه يمكن قياس الإنتروبيا، وهُو مقياس للطاقة.

يعتبر مفهُوم الانتروبيا أحد الكَمْيات الفِيْزيائية المهمة التي من خلالها كان من الممكن فهم العديد من العمليات الفِيْزيائية والكيميائية، ومفهُوم الانتروبيا من بين المفاهِيْم المربكة والغامضة، لكننا سنتعامل معها بشكل عام، أو مقياس الفوضى والفوضى.

إذا تم تسخين الجسم، أي إضافة الحرارة إلَّى النظام، فإن الانتروبيا تزداد وعَنّْدما يبرد الجسم، أي إزالة الحرارة من الجسم، فإن الانتروبيا تنخفض وتنخفض. تغيير الانتروبيا يساوي كَمْية الحرارة المضافة للجسم مقسومة على درجة الحرارة، ووحدات القياس المعتمدة هِيْ

• جول J هُو مقياس للطاقة الحرارية.
• درجة الحرارة فِيْ K.
• يتم قياس الانتروبيا كـ J / k.

ما يمكن قياسه فِيْ نظام فِيْزيائي

إذا كان الغاز محاصرًا فِيْ الأسطوانة، فِيْطلق عليه نظام مغلق. يمكن وصف هذا النظام بعدد من القيم المادية مثل

• درجة الحرارة (T)
• الحجم (H)
• الضغط (ف)
• الطاقة الداخلية (يو)

أمثلة على عمليات القانون الثاني للديناميكا الحرارية

انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلَّى الجسم البارد بشكل عفوي ودون مساعدة خارجية، ولكن العكس، وهُو انتقال الحرارة من الجسم البارد إلَّى الجسم الساخن، لا يمكن أن يحدث بشكل طبيعي وعفوي.

لا يستطيع المحرك الحراري تحويل الحرارة بالكامل إلَّى طاقة ميكانيكية أو عمل، ولكنه طبيعي وتلقائي عَنّْدما يتم دفعه إلَّى مستودع الشحن ولا يمكنه توليد الحرارة أو فقده أو فقده.يمكن لذرات الغاز ترتيب نفسها تلقائيًا فِيْ أنماط معينة.

لفهم أكثر دقة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، ننظر إلَّى شمعة مشتعلة ونجد أنها تذوب وتنكَمْش بمرور الوقت، وليس العكس. لم يحن اليوم لكي تبدأ الشمعة فِيْ بناء نفسها بعد أن تذوب بشكل طبيعي وتلقائي، مما يعَنّْي أن عملية الذوبان والانكَمْاش التي تحدث للشمعة هِيْ أمر طبيعي وتلقائي.

وهكذا، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتعامل مع المسار الطبيعي والعفوي للأحداث، مما يعَنّْي أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدد الشروط والظروف المصاحبة للأحداث العفوية التي تحدث فِيْ عالمنا.

يمكننا القول أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحدد العمليات التلقائية، والتي تنص على أن العمليات الطبيعية والعفوية يتم التحقيق فِيْها فِيْ اتجاه الحفاظ على الانتروبيا الكلية أو زيادتها.

مقارنة حالات مختلفة من المادة من حيث الانتروبيا

الانتروبيا فِيْ الحالة الغازية أكبر من الانتروبيا فِيْ الحالة السائلة، والانتروبيا فِيْ الحالة السائلة أكبر من الحالة الصلبة. نلاحظ أيضًا أنه كلما زادت حركة جزيئات وذرات المادة، زادت الفوضى أو العشوائية، مما يعَنّْي زيادة الانتروبيا.

تفسير العمليات العفوية على أساس القانون الثاني

عَنّْد إسقاط بضع قطرات من الحبر فِيْ كوب من الماء، يُلاحظ أن الحبر ينتشر تدريجيًا عبر الماء حتى يختلط تمامًا فِيْ الماء ويتحول لون الماء إلَّى اللون الأزرق حتى يصل الكوب إلَّى حالة التجانس التام. حيث دخلت حالة التوزيع المنتظم لجزيئات الحبر إلَّى جزيئات الماء. ما حدث هنا هُو مثال طبيعي لعملية تلقائية تحدث دون أي تدخل أو مساعدة خارجية.

إذا قمنا بحساب التغيير فِيْ الانتروبيا الذي يحدث بعد هذه العملية، نجد أن الانتروبيا تزداد، وهُو ما يفِيْ بالقانون الثاني، والتفسير الثاني هُو أن الحرارة تنتقل من الأجسام الساخنة إلَّى الأجسام الباردة تلقائيًا. تم العثور على الانتروبيا لهذه العملية فِيْ الزيادة، والتي تفِيْ بالقانون الثاني.

العلاقة بين القانون الأول والعمليات التلقائية فِيْ القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يتناول القانون الأول مبدأ الحفاظ على الطاقة، بافتراض وجود جسم ساخن يحتوي على 8 وحدات من الطاقة الحرارية تلامس جسمًا باردًا يحتوي على 4 وحدات من الطاقة الحرارية.