الرئيسية » مقالات علمية » مقالات في الفيزياء » القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومصير الكون

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومصير الكون

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومصير الكون

تصف قوانين الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحرارية او الحرارة والصور المختلفة الاخرى من الطاقة وكيف تؤثر على المادة. ينص القانون الاول للديناميكا الحرارية ان الطاقة لا يمكن ان تستحدث او تتلاشى وان مقدار الطاقة الكلي في الكون ثابت لا يتغير. اما القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتحدث عن نوعية الطاقة وينص على انه مع تحول الطاقة او انتقالها من مكان لاخر فان المزيد منها يفقد (اي لا يستفاد منه في بذل شغل). كما ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية ايضا على ان هناك ميل طبيعي للانظمة المعزولة إلى التغير والتحول تلقائيا نحو حالة توزيع تلقائيا إلى حالة اكثر عشوائية.

يصف بروفسور الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري الامريكية سايبال ميترا Saibal Mitra ان القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو الاكثر اهمية بين القوانين الاربعة الاخرى. وان هناك اكثر من نص لهذا القانون. على مستوى مجهري او ميكروسكوبي فان نص القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو انه اذا كان هناك نظام معزول فان اي عملية طبيعية على النظام تحدث في اتجاه زيادة العشوائية للنظام او الانتروبي entropy له.

شرح البروفيسور ميترا ان كل العمليات تتسبب في زيادة الانتروبي. حتى عندما يزداد الترتيب او النظام في مكان محدد، على سبيل المثال عن طريق التجمع التلقائي او الذاتي للجزيئات لتشكيل عضو حيوي، عندما نأخذ كامل النظام بما فيه البيئة المحيطة فان الانتربي الكلي تزداد في جميع الاحيان. وكمثال اخر البلورات التي تتشكل من محلول ملحي عندما يتبخر الماء. تعد البلورات اكثر ترتيبا من جزيئات الملح في المحلول، لكن تبخر الماء اكثر عشوائية من المحلول المائي. وعندما نتحدث عن العملية بالكامل فان الانتروبي او العشوائية للنظام تزداد.

نبذة تاريخية

كتب مؤلف كتاب نوع جديد من العلوم ستيفن ولفرام Stephen Wolfram في العام 1850 ان كلا من العالمين كلاوسيس وكلفن ذكرا بان الحرارة لا تتدفق تلقائيا من الجسم البارد إلى الجسم الساخن وان هذه العبارة اصبحت اساس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

تلت ذلك ابحاث العلماء برنولي Bernoulli وماكسويل Maxwell وبولترزمان Boltzmann التي ادت إلى تطوير النظرية الحركية للغازات، بحيث اعتبر الغاز على انه ساحبة من الجزيئات في حالة حركة ويمكن التعامل معها بطرق احصائية. نتج عن حسابات هذه الطرق الاحصائية حساب دقيق لدرجة الحرارة والضغط والحجم بناء على قانون الغاز المثالي.

ان الحسابات الاحصائية توصلت ايضا إلى انه اثناء التصادمات بين الجزيئات تكون عكوسة بمعنى انهم يتصرفون بنفس الطريقة عندما تتجه إلى الامام او إلى الخلف لكميات كبيرة من الغاز، فالسرعات التي تمتلكها الجزيئات يكون لها توزيع احصائي طبيعي او بما يسمى توزيع جاوسيان  Gaussian distribution، او بمنحى الجرس حول متوسط السرعة التي تمتلكها. نتيجة لذلك عندما يوضع غاز ساخن وغاز بارد في وعاء في النهاية نحصل على غاز دافئ. لكن، الغاز الدافئ لا يمكن باي حال من الاحوال ان ينفصل لوحده إلى غاز ساخن وغاز بارد، بما يعني ان عملية خلط غازات ساخنة وباردة هي عملية غير عكوسة. نلخص هذا الامر بالجملة التالية: لا يمكنك ان تعيد بيضة بعد خلطها. طبقا لولفرام وبولتزمان فان السبب يعود إلى وجود حالات عشوائية كثيرة للنظام اكثر من الحالات المرتبة او المنتظمة، لهذا فان التفاعلات العشوائية تؤدي إلى عشوائية كبيرة.

الشغل والطاقة Work and energy

من احد الاشياء التي يشرحها القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو انه من المستحيل ان نقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية بكفاءة تصل إلى 100%. بعد عملية تسخين الغاز لزيادة ضغطه لتحريك المكبس هناك دائما حرارة تتبقى في الغاز ولا يمكن الاستفادة منها لبذل المزيد من الشغل. هذا الفقد في الحرارة يجب التخلص منه بتحويله إلى البيئة المحيطة وعادة ما يكون الغلاف الجوي. علاوة على ان اي جهاز او محرك يحتوي على اجزاء متحركة يكون هناك احتكاك بينها وهذا يحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة مفقودة لا يمكن الاستفادة منها ويجب التخلص منها عن طريق المبددات الحرارية. لهذا السبب ترفض مؤسسات براءة الاختراع استقبال الاختراعات التي تدعي الحركة الابدية.

عندما يوضع جسمين احدهما ساخن والاخر بارد بجوار بعضهما البعض في حالة اتصال حراري فان الطاقة الحرارية سوف تتدفق من الجسم الساخن إلى الجسم البارد حتى يصلا إلى نفس حالة الاتزان الحراري. اي يكونا عند نفس درجة الحرارة. على اي حال فان الحرارة لا يمكن ان تعود في الاتجاه المعاكس وان فرق درجات الحرارة بين الجسمين لا يمكن ان يزداد تلقائيا. انتقال الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن يتطلب بذل شغل بواسطة مصدر طاقة خارجي مثل المضخات الحرارية.

ان افضل كفاءة للمحرك الحراري تم تصميمه وبناءه هو توربينات الغاز الضخمة. انها تعمل عن طريق حرق الغاز عند درجات حرارة مرتفعة جدا تصل إلى 2000 درجة مئوية ونواتج الاحتراق تخرج من العادم دافئة. لم يحاول احد ان يستخلص طاقة من الحرارة المفقودة لانه لا يكون هناك الكثير منها.

سهم الزمن The arrow of time

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى ان عمليات الديناميكا الحرارية التي تشتمل على انتقال او تحول للطاقة الحرارية هي عمليات غير عكوسة لان جميعها تتسبب في زيادة الانتروبي. ربما من اهم النتائج المترتبة على القانون الثاني وفقا للبروفيسور ميترا هو انه يعطينا سهم الديناميكا الحرارية للزمن.

نظريا، في بعض التفاعلات مثل تصادمات الاجسام الجاسئة (الصلبة) او بعض التفاعلات الكيميائية تبدو متشابهة سواء كانت تتجه للامام او للخلف. عمليا، على كل الاحول فان كل تبادلات الطاقة تكون معرضة إلى فقد مثل الاحتكاك او فقد حراري بالاشعاع وهذا يعمل على زيادة الانتروبي للنظام. لهذا لا يوجد شيء اسمه عملية عكوسة، اذا سالك احد ما هو اتجاه الزمن فانك سوف تجيبه بناء على ذلك بان الزمن يتقدم في اتجاه زيادة الانتروبي.

مصير الكون The fate of the universe

يتوقع القانون الثاني للديناميكا الحرارية ايضا بنهاية العالم. ذلك يعني ان الكون سوف ينتهي بموت حراري heat death بحيث ان كل شيء يكون عند نفس درجة الحرارة. عندها يكون هذا هو الحد الاقصى لمستوى العشوائية، اذا كان كل شيء في الكون عند نفس درجة الحرارة فانه لا يكون هناك بذلك شغل وكل الطاقة سوف تكون كحركة عشوائية للذرات والجزيئات.

في الاعماق البعيدة للكون تكون النجوم قد استنزفت كل طاقتها النووية لتصبح بقايا كونية مثل الاقزام البيضاء white dwarfs والنجوم النيوترونية neutron stars او الثقوب السوداء black holes. وفي النهاية سوف تتبخر وتتحول جميعها إلى بروتونات والكترونات وفوتونات ونيوترونات وتصل في اخر المطاف إلى اتزان حراري مع باقي الكون. لحسن الحظ فان انخفاض حرارة الكون يأخذ وقتا طويلا جدا قد يصل إلى 10(10^26) اي 1 وامامه 1026 صفر من السنوات لتنخفض درجة الحرارة إلى 10-30 كلفن.

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 skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

أضف تعليقاً

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

Powered by themekiller.com