قوانین ترمودینامیک

ترمودینامیک به معنای مطالعه درباره انرژی، تبدیل انرژی به حالت های گوناگون و توانایی انرژی برای انجام کار است. در ابتدا سه قانون ترمودینامیک تدوین شد ولی به نظر قانون چهارمی هم وجود دارد که قانون صفرم (zeroth law) نام دارد زیرا قانون یک و دو و سه جایگاه خود را داشتند و مثل این قانون بنیادی نبودند.

قانون چهارم ترمودینامیک را قانون صفرم نامگذاری کردند

 چارلز پرسی اسنو، دانشمند و نویسنده انگلیسی یک راه جالب برای یادآوردی آسان  این سه قانون پیشنهاد کرده است. او میگوید قوانین میتوانند به شکل زیر تفسیر شوند: ۱- شما نمی توانید برنده شوید(شما نمی توانید چیزی برای هیچی بدست آورید چون ماده و انرژی حفظ می شود) ۲- شما حتی نمی توانید ببازید(شما نمی توانید به حالت مشابه قبلی خود برگردید چون آنتروپی-بی نظمی-همیشه در حال افزایش است) ۳- شما نمی توانید از این بازی خارج شوید(چون حالت صفر مطلق هیچ گاه به دست نمی آید)

خب، این قوانین واقعا چه مطلبی را بیان می کنند و چرا مهم هستند؟ به زبان ساده، این قانون ها نیاز های کار و حرارت را نشان می دهد. قوانین ترمودینامیک در قرن ۱۹ به وجود آمد و همراه انقلاب صنعتی تکامل پیدا کرد. قبلا فیزیکدانان به اندازه ی تغییرات شیمیایی که همراه کار حقیقی بود درگیر مطالعه جریان همرفتی گرما شده بودند. آنها به دنبال بیشترین منفعت و بالاترین بازده بودند. یعنی میخواستند ماشین دائمی حرکتی بسازند که با حرکت بی نهایت خود گرما تولید کند، متاسفانه این ایده با شکست مواجه شد. به طور کلی آنها توانستند نشان دهند ساختن چنین ماشینی غیرممکن است.

قانون اول به صورت کلی می گوید انرژی و ماده به وجود نمی آیند و از بین نمی روند تنها شکلشان از جامد، مایع، گاز و پلاسما تغییر می کند و ورودی هر ماشینی با خروجی آن برابر است. به عبارتی دیگر تغییر انرژی درونی سیستم ِ بسته، برابر دمای اضافه شده منهای کار خالصی است که ماشین انجام می دهد چون سیستم در دنیای واقعی کار می کند، همیشه مقداری انرژی به محیط بیرون منتقل می شود (اتلاف انرژی) اینگونه هدایت بی کفایتی و قانون دوم که برای پنهان کردن عیب قانون اول به وجود آمد.

قانون دوم ترمودینامیک برای پنهان کردن عیب قانون اول به وجود آمد

قانون دوم ضرورتا بیان می کند که نمی توان فرآیندی را بدست آورد که در آن، اثر منحصربفرد در واقع کسر یک حرارت مثبت از یک منبع و تولید یک کار ِ مثبت باشد. انرژی، بی نظمی(آنتروپی) به دنبال دارد و از منبع خود حرکت می کند. در این حالت انرژی یا دما از جسم سردتر به جسم گرم تر نمیرود. شما نمی توانید بدون افزودن انرژی به سیستم جریان متداوم دما را ایجاد کنید. برای ماشین، شما باید انرژی وارد کنید تا کار بیشتری انجام شود و نسبت دما به کار هیچ وقت ۱ نمی شود، چون اتلاف انرژی وجود دارد. کیهان هم همین طور است و در طول زمان بی نظمی آن زیاد میشود. اما چگونه؟

انرژی قابل استفاده برای باروری، رشد و ترمیم استفاده می شود. در این دوره انرژی قابل استفاده به انرژی غیرقابل مصرف تبدیل می شود. در واقع آنتروپی برای اندازه گیری انرژی غیر قابل استفاده در یک سیستم ِ بسته استفاده می شود. هنگامی که در یک بازه زمانی این انرژی زیاد و انرژی قابل مصرف کم می شود، بی نظمی زیاد می شود. میتوان نتیجه گرفت که جهان هستی در نقطه ی آغاز آنتروپی صفر داشته است، اما چگونه آنتروپی شروع به کم شدن کرد؟

قانون سوم این مورد را بیشتر توضیح می دهد. طبق این قانون همه ی اتفاقات در دمای صفر مطلق(منفی ۲۷۳ سانتی گراد) متوقف می شوند. در این دما جنبش مولکول ها و انرژی جنبشی متوقف می شود. در واقع دیگر هیچ انرژی وجود نخواهد داشت! با قانون اول، می دانیم که ماده/انرژی نه ساخته و نه نابود می شود. می تواند شکل خود را تغییر دهد، مثلأ از جامد به مایع، گاز یا پلاسما تبدیل شود و دوباره به حالت قبل بازگردد، اما مقدار ماده/انرژی در سیستم (کیهان) ثابت باقی می ماند. قانون دوم بیان می کند در حالیکه مقدار ماده/انرژی یکسان باقی می ماند، کیفیت آن در طول زمان کاهش پیدا می کند. این اتفاق چگونه رخ می دهد؟

انرژیِ قابل استفاده برای باروری، رشد و تعمیر بکار می رود. در این فرآیند، انرژیِ قابل استفاده به انرژیِ غیرقابل استفاده تبدیل می شود و در نتیجه انرژی قابل استفاده به شکل ِ انرژیِ غیرقابل استفاده از دست می رود (گم می شود). آنتروپی به عنوان مقیاسی از انرژیِ غیر قابل استفاده در یک سیستم بسته بکار می رود. با افزایش آنتروپی و کاهش انرژیِ قابل استفاده به میزان مساوی (قانون اول)، تصادفی بودن افزایش می یابد. همانطور که قبلأ گفته شد، انرژی اصولأ به شکل یک انرژی غیرقابل استفاده از منبع خود عقب نشینی می کند.

طبق قانون سوم ترمودینامیک همه ی اتفاقات در دمای صفر مطلق متوقف می شوند

به عنوان یک مثال بسیار ساده، آتش را در نظر بگیرید. وقتی چوب (ماده) را به آن اضافه می کند، حرارت (که سپس به طرف محیط پیرامون حرکت می کند)، دود و بخار آب ایجاد می شود که دوباره به طرف محیط پیرامون فرار می کنند و در نهایت خاکستر ایجاد می شود که آخرین حرارتِ باقیمانده ی خود را به محیط پیرامون منتقل می کند. شما با سرما و خاکستر مرده تنها می مانید که یک شکل تصادفی به خود گرفته که ظاهرأ هیچ ارتباطی با شکل چوبی قبلش ندارد.

قانون صفرم ترمودینامیک پایه ای تر از ۳ قانون قبلی است و بعد از آنها کشف شد. به طور ساده میگوید اگر سیستم ۱ و ۲ در حال تعادل گرمایی با سیستم ۳ باشند، میتوان فهمید که سیستم ۱ و ۲ خود نیز در تعادل گرمایی اند. به عنوان مثالی دیگر برای شرایط فیزیکی، جان هم وزن بیل است. سم نیز هم وزن بیل است؛ بنابراین، جان و سم هم وزن هستند.

در حالیکه قانون صفرم سیستم های بسیار پیچیده تری را توصیف می کند، ضروریات یکسان هستند. از میان این قوانین ترمودینامیک، قانون دوم قدرتمندترین قانون است و بیشترین دلالت ها را دارد، این قانون حتی در فرهنگ معروف نیز حضور دارد. هومر سیمپسون یکبار گفت: «در این خانه، ما از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می کنیم». جدأ، قانون دوم اساسأ بیان می کند که کیهان انرژیِ قابل استفاده ی خود را به طور ثابت از دست می دهد و هرگز آن را بدست نمی آورد. همچنین می دانیم که کیهان به طور ثابت در حال انبساط است، همانطور که قانون دوم ترمودینامیک یعنی قانون ِ آنتروپی پیش بینی کرده؛ می توانیم نتیجه بگیریم که کیهان محدود است. همچنین می توانیم نتیجه بگیریم که کیهان یک شروع خاص دارد: لحظه ی «آنتروپی صفر» !