صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية من قبل العلماء

2011 قوانين الديناميكا الحرارية – فهم الحرارة وانتقال الطاقة

أبريل أيزاكس

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

القانون الثاني للديناميكا الحرارية الديناميكا الحرارية الفيزياء

وضع عالم فيزيائي يدعى ويليام طومسون، الذي يُلقب عادة بـ (لورد كلفن)، صيغة للقانون الثاني بيّن فيها (كما ورد في كتاب "القانون الثاني" لمؤلفه بي. دبليو. أتكنز) أنه لا توجد عملية ممكنة تتمثل نتيجتها الوحيدة في امتصاص الحرارة من خزان حراري وتحويلها بالكامل إلى شغل.

وبعبارة أخرى، عندما تتحول الحرارة إلى شغل يستحيل تحويل الحرارة إلى شغل بنسبة مئة في المئة، إذ لابدّ من هدر جزء من هذه الحرارة.

يشير مضمون هذا المفهوم إلى استحالة ما يُطلق عليه اسم "آلة دائمة الحركة من النوع الثاني"، وإذا تحقق وجود آلة كهذه ستصبح قادرة على تحويل الحرارة المستمدة من الطبيعة إلى كميات غير محدودة من الشغل.

 

لكن القانون الثاني يؤكد استحالة بناء آلة قادرة على تحويل الحرارة المستمدة من الغلاف الجوي أو إحدى البحيرات، على سبيل المثال، بصورة كاملة إلى شغل.

ووضع عالم آخر يدعى رودولف كلاوسيوس صياغة أخرى لقانون الديناميكا الحرارية الثاني ضمن مقالة دراسية حملت عنوان "حول القدرة الحركية للحرارة والقوانين التي يمكن استنتاجها منها لأجل نظرية الحرارة".

وقد عرّفت هذه الدراسة المنشورة في العام 1850 القانونين الأول والثاني، وسجلت ظهور علم الديناميكا الحرارية. وطبقاً لوصف كلاوسيوس المتعلق بالقانون الثاني (كما بيّن أتكنز)، لا توجد عملية ممكنة تتمثل نتيجتها الوحيدة في انتقال الطاقة من جسم بارد إلى جسم ساخن.

 

فالحرارة تتدفق بشكل طبيعي من المنطقة الحارة إلى الباردة وليس العكس، إذ لا يمكن أبداً لفنجان القهوة أن تزيد سخونته ثم يغلي من تلقاء ذاته.

تستبعد فكرة كلاوسيوس إمكانية التبريد التلقائي؛ لأنه في حال تحقق تدفق الحرارة بصورة طبيعية من مكان حار إلى مكان بارد، لأصبح بالإمكان اختراع ثلاجة تعمل من دون الحاجة إلى الطاقة المستمدة من الكهرباء، لكن ذلك شأنه شأن الآلات دائمة الحركة يُخالف قوانين الديناميكا الحرارية.

وابتكر كلاوسيوس مصطلح "الإنتروبيا" (entropy)، وهي كلمة مشتقة من اللغة اليونانية وتعني "التحول".

 

ركّز كلاوسيوس خلال دراساته في مجال الديناميكا الحرارية على مسألة رياضية محددة، وهي نسبة كمية الحرارة إلى درجة الحرارة، والتي يُعبّر عنها كتابياً في الرياضيات: (Q/T)، حيث يرمز الحرف (Q) إلى كمية الحرارة في المعادلات الخاصة بالديناميكا الحرارية.

وتمثل هذه النسبة كمية الحرارة المنتقلة ودرجة الحرارة قبل انتقال الحرارة وبعدها، وقد قام كلاوسيوس بفحص النسبة المتعلقة بأنواع مختلفة من العمليات التي تشتمل على انتقال الحرارة، مبتدئاً بالحرارة المنتقلة في الآلة العكوسة (القابلة للعكس).

 

حيث لاحظ أن النسبة ظلت ثابتة بالنسبة للدروة العكوسة، ثم تابع دراسة العمليات غير العكوسة (غير قابلة للعكس)، والمقصود بها العمليات التي تجري في اتجاه واحد فقط، مثل الحرارة التي تنتقل من فنجان القهوة الساخنة.

وقد لاحظ كلاوسيوس زيادة نسبة الحرارة إلى درجة الحرارة (Q/T) في تلك العمليات، فأعاد تسمية نسبة (Q/T) وأطلق عليها اسم "الإنتروبيا"، وعلى عكس السلوك الذي تسلكه  الطاقة، لا يمكن حفظ الإنتروبيا خلال العمليات الطبيعية، واستنتج كلاوسيوس أن إنتروبيا الكون تميل إلى الازدياد بصورة طبيعية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]