نبذة تعريفية عن القانون الثالث لـ”الديناميكا الحرارية”

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

القانون الثالث للديناميكا الحرارية الديناميكا الحرارية الفيزياء

يتناول القانون الثالث للديناميكا الحرارية أحد الجوانب العملية لظاهرة الإنتروبيا.

من المعلوم أننا إذا قمنا بتسخين دورق من الماء ستزيد درجة الإنتروبيا في الماء الساخن. ويستطيع العلماء قياس تغير الإنتروبيا في المختبر.

لكن هذا القياس يبيّن لنا فرق الإنتروبيا بين الحالة الابتدائية والنهائية فقط، وبالتالي يُعدّ قياساً نسيباً، إذ لا يُقدم أي معلومات عن الإنتروبيا المطلقة لماء الدورق عند درجات حرارة محددة.

 

في العام 1906 طرح كيميائي ألماني يُدعى والتر نيرنست نظريته المعروفة باسم "نظرية نيرنست للحرارة" التي يُشار إليها في أغلب الأحيان باسم "القانون الثالث للديناميكا الحرارية".

تنص "نظرية نيرنست" على أنه عند درجة الصفر المطلق يكون مقدار الإنتروبيا للمادة البلورية المثالية صفراً.

يمثل الصفر المطلق أدنى درجة حرارة ممكنة من الناحية النظرية، حيث لا يكون للحرارة أي وجود عند تلك الدرجة، وتعادل درجة الصفر المطلق درجة الصفر على مقياس كلفن: (C237.15-) أي (F459.67-)، لكن درجة الصفر المطلق لا يمكن أن تتحقق ضمن سلسلة محدودة من الخطوات.

 

بعبارة أخرى، مهما بلغت برودة جسم ما يمكن دائماً زيادة برودته من دون أن يبلغ درجة الصفر المطلق. إن التجارب المخبرية التي تدرس سلوك المادة عند درجة الصفر المطلق يمكن إجراؤها فقط عند درجات حرارة قريبة من درجة الصفر المطلق.

تتوقف الجزيئات عن الحركة عند درجة الصفر المطلق، كما تتوقف تفاعلات الطاقة بين تلك الجزيئات؛ لذلك تصبح درجة إنتروبيا المادة البلورية المثالية صفراً عند درجة الصفر المطلق.

إن المادة البلورية المثالية هي عبارة عن مادة تتراصف فيها جميع الجزيئات والذرّات بصورة كاملة، ويُمكن اعتبار معدن الماس مثالاً على المادة البلورية المثالية.

 

أما إذا كانت الجزيئات والذرّات غير متراصفة بشكل كامل ستنشأ التفاعلات فيما بينها، وستكون إنتروبيا هذه المادة أعلى من درجة الصفر، حتى لو كانت المادة عند درجة الصفر المطلق.

لقد وضع القانون الثالث للديناميكا الحرارية نقطة مرجعية نستعين بها لتحديد إنتروبيا جميع المواد، ويستطيع العلماء بالاعتماد على القانون الثالث تحديد إنتروبيا أي عنصر أو مركّب.

هذه الإنتروبيا المعروفة باسم "الإنتروبيا الجزيئية" (أو "الإنتروبيا المولارية")، كما يسمونها تبين الإنتروبيا المكتسبة عندما يجري تسخين إحدى المواد من درجة الصفر المطلق إلى درجة حرارة الغرفة، كما تُعدّ "الإنتروبيا المولارية" أداة مهمة لفهم التفاعلات الكيميائية وتغيرات الطور.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]