أخبار عاجلة
الرئيسية » مقالات علمية » مقالات في الفيزياء » القانون الثالث للديناميكا الحرارية والصفر المطلق

القانون الثالث للديناميكا الحرارية والصفر المطلق

القانون الثالث للديناميكا الحرارية والصفر المطلق

يتعلق القانون الثالث للديناميكا الحرارية بالسلوك المحدود للانظمة عندما تؤول درجة الحرارة إلى الصفر المطلق. معظم حسابات الديناميكا الحرارية تستخدم فروقات الانتروبي فقط لذلك فان نقطة الصفر على مقياس الانتروبي غير مهمة في معظم الاحيان. لكننا سوف نناقش القانون الثالث للديناميكا الحرارية بهدف الكمال لانه يصف حالة الانتروبي تساوي صفر.

ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية بان الانتروبي لبلورة مثالية تساوي صفر عندما تكون درجة حرارة البلورة تساوي الصفر المطلق اي 0 كلفن. يجب ان تكون البلورة مثالية تماما والا فانه سيوجد بعض العشوائية فيها. كما انه يجب ان تكون عند الصفر المطلق والا سوف يكون هناك بعض الحركة الحرارية داخل البلورة والتي سوف تؤدي إلى العشوائية.

وتحدث البروفيسور سيبال ميترا Siabal Mitra استاذ الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري نتيجة اخرى للقانون الثالث للديناميكا الحرارية، ومنها توصل إلى نص اخر وهو انه يتطلب عدد لانهائي من الخطوات للوصول إلى الصفر المطلق، لانك اذا كان لديك مبدد حراري عند الصفر المطلق فانك تستطيع بناء الة حرارية او محرك حراري بكفاءة تصل إلى 100%.

نظريا يمكن الحصول على بلورة مثالية بحيث تكون فراغات الشبكة البلورية مشغولة بذرات متشابهة. لكن من المستحيل الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلق بالرغم من ان العلماء اقتربوا جدا منها. لهذا كل المواد تحتوي على بعض الانتروبي بسبب وجود بعض الطاقة الحرارية.

نبذة تاريخية

اول صياغة للقانون الثالث للديناميكا الحرارية تمت بواسطة العالم الالماني الكيميائي والفيزيائي ولتر نيرنست Walther Nernst. حيث ذكر انه من المستحيل لاي عملية ان تؤدي إلى الحد الحراري الفاصل T = 0 من خلال عدد محدود من الخطوات. هذا النص ادى إلى تأسيس مفهوم درجة حرارة الصفر المطلق على انها درجة حرارة لا يمكن الوصول لها تماما كما في حالة سرعة الضوء. وبالمثل مهما قمنا بتبريد النظام فاننا نقوم بخفض درجة حرارته لكن لا يمكن ان نصل ابدا إلى الصفر المطلق.

يتطلب القانون الثالث للديناميكا الحرارية مفهوم ادنى درجة حرارة بحيث ان اقل منها لا يمكن ان توجد درجة حرارة ادنى منها وهي درجة حرارة الصفر المطلق. وكان العالم روبيرت بويل Robert Boyle اول من تحدث عن ادنى درجة حرارة ممكنة في العام 1665 عندما اشار اليها بالبرودة الاولية.

يعتقد ان درجة الصفر المطلق قد حسبت بدقة في العام 1779 بواسطة العالم يوهان هاينريش لامبرت. اجري لامبرت حساباته على العلاقة الخطية بين الضغط ودرجة حرارة الغاز. عند تسخين الغاز في وعاء محصور فان ضغطه يزداد. هذا لان درجة حرارة الغاز هي مقياس لمتوسط سرعة الجزئيات في الغاز. كلما اصبحت حرارة الغاز اعلى كلما كانت سرعة جزيئاته اعلى وكلما كان الضغط الذي يبذله الغاز على الوعاء اعلى. من المناسب للامبرت ان يفترض انه عندما يكون الغاز عند درجة حرارة الصفر المطلق ان تكون حركة الجزيئيات قد توقفت تماما، وبالتالي لا تبذل اي ضغط على جدران الوعاء.

اذا قمنا برسم العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة لغاز بحيث تكون درجة الحرارة على المحور السيني والضغط على المحور الصادي فان خط مستقيم يربط نقاط القياسات مما يشير هذا إلى علاقة خطية بين درجة الحرارة والضغط. ومن امتداد الخط المستقيم نحو الضغط يساوي صفر على المحور الصادي توصل إلى ان النقطة على محور السينات تكون سالب 270 درجة مئوية وهي قريبة جدا من القيمة المعروفة للصفر المطلق والتي تساوي سالب 273.15 درجة مئوية.

مقياس درجة الحرارة المطلق (تدريج كلفن)

العالم الذي ارتبط اسمه بالتدريج المطلق لدرجة الحرارة هو العالم وليام طمسون والذي اشتهر باسم كلفن. يعتبر الكلفن الاكثر استخداما من قبل العلماء حول العالم. ان فرق درجات الحرارة على مقياس كلفن يساوي فرق درجات الحرارة على مقياس سليزس (المقياس المئوي)، لكنه وبسبب انه يبدأ من الصفر المطلق وليس من درجة حرارة تجمد الماء، فانه يستخدم مباشرة في الحسابات الرياضية وبالاخص في عمليات الضرب والقسم. على سبيل المثال تكون درجة الحرارة 100 كلفن اعلى بمرتين من درجة الحرارة 50 كلفن، كما ان عينة من غاز محصور عند درجة حرارة 100 كلفن تحتوي على طاقة حرارية تعادل مرتين الطاقة التي يمتلكها غاز محصور عند درجة حرارة 50 كلفن، ويكون الضغط ايضا يساوي مرتين الضغط عند 50 كلفن. مثل هذه الحسابات لا يمكن ان نقوم بها باستخدام المقياس المئوي او الفاهرنهيتي. اي ان 100 درجة مئوية لا تعادل مرتين درجة الحرارة 50 درجة مئوية ونفس الامر على المقياس الفهرنهايتي.

نتائج القانون الثالث للديناميكا الحرارية

حيث ان درجة حرارة الصفر المطلق لا يمكن الوصول لها فان القانون الثالث يمكن ان يصاغ على النحو يتطابق مع العالم الحقيقي على ان الانتروبي للبلورة المثالية تؤول إلى الصفر عندما تؤول درجة الحرارة إلى الصفر المطلق. يمكن ان نقوم باستخلاص هذه النتيجة نظريا لكن لا يمكن توضيحها عمليا.

في الوقت الحالي توصل العلماء إلى درجة حرارة قريبة جدا تصل إلى النانو كلفن ويسعى العلماء حاليا إلى الوصول إلى درجة حرارة البيكو كلفن مع انه تم تبريد قطعة من معدن الروديوم إلى 100 بيكو كلفن وهي ادنى درجة حرارة تم التوصل لها.

حيث ان درجة حرارة الصفر المطلق لا توجد في الطبيعة ولا يمكن الوصول لها في المختبر الا ان مبدأ الصفر المطلق موضوع حاسم في الحسابات الرياضية التي تتضمن درجة الحرارة والانتروبي. ان الكثير من القياسات تشتمل على علاقات ترتبط مع نقطة بداية.  فعندما نذكر المسافة علينا ان نسأل انفسنا من اي نقطة نحدد المسافة؟ وعندما نذكر الزمن علينا ان نسأل منذ متى؟ تعريف قيمة الصفر على مقياس درجة الحرارة يعطي معني للقيم الموجبة على المقياس. عندما نقول ان درجة الحرارة 100 كلفن فان هذا يعني ان درجة الحرارة 100 كلفن فوق الصفر المطلق، والذي يعادل مرتين درجة الحرارة 50 كلفن والنصف اذا كانت درجة الحرارة 200 كلفن.

يتضح لنا ان القانون الثالث للديناميكا الحرارية واضحة وبسيطا. ومع ذلك فانه يأتي بنهاية مناسبة لسلسلة طويلة من الابحاث التي تصف بشكل كامل طبيعة الحرارة والطاقة الحرارية.

تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email [email protected]

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *