التدفق الحراري

2011 الطاقة و التفاعلات

گريس گوپر

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

تنتشر الحرارة بالطريقة نفسها التي ينتشر فيها الغاز، وإذا ما اتصل جسم حار بجسم بارد، سوف تنتشر الحركة الجزيئية للجسم الحار إلى جزيئات الجسم

الأبرد. سبب ذلك يكمن في أن متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الجسم الحار أعلى من الطاقة الحركية لجزيئات الجسم الأبرد.

لذلك، عندما يصطدم جزيء الجسم الحار مع جزيء الجسم البارد، ينتقل جزء من الطاقة الحركية من الجسم الحار إلى الجسم البارد. تنتقل الطاقة الحركية تدريجياً بهذه الطريقة من الجسم الحار إلى الجسم البارد، مما يعني تدفق الحرارة في الاتجاه نفسه. إن تدفق الحرارة في الاتجاه الآخر (من

الجسم البارد إلى الجسم الحار) ممكن بفضل القانون الأول للديناميكا الحرارية؛ لأن الطاقة لا تُستحدث من العدم ولا تفنى. لكن ذلك غير محتمل، تماماً مثل عدم احتمال انتشار جزيئات الغاز في الفراغ الخالي.

القانون الثاني

إن النظام المعزول هو النظام الذي لا يستطيع تبادل المادة أو الطاقة مع محيطه، ويبيّن القانون الثاني للديناميكا الحرارية بأنه في النظام المعزول، تزيد الإنتروبيا أو تبقى على حالها، بمعنى أنها لا تنخفض أبداً. إن حافظة الحرارة (الترمس)

أقرب ما يكون إلى النظام المعزول (مع أنها تفقد ببطء الطاقة الحرارية التي تنتقل إلى محيطها). تخيل، مثلاً، وضع كمية من الماء الحار داخل الحافظة. يكون الماء في البداية حاراً، بينما تكون الحافظة نفسها باردة. ثم يبدأ الفرق في درجة الحرارة بالتلاشي. يبرد الماء الحار نوعاً ما أثناء تسخينه الجدار الداخلي للحافظة، ثم تتساوى الفروق البسيطة في درجة الحرارة بين مختلف أجزاء السائل، وعندما تختفي الفروق في درجة الحرارة، يصبح النظام أكثر عشوائية.

وفي نهاية المطاف، تتساوى درجة حرارة السائل مع الجدار الداخلي للحافظة، فيصبح للنظام أعلى درجة من الإنتروبيا. ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على نطاق واسع ليشمل الكون بأكمله. فعلى سبيل المثال، إن مجموعة من النجوم، التي تدور الكواكب حولها، تشكل نظاماً له إنتروبيا منخفضة نسبياً، لأن مجموعة النجوم تتصف بالانتظام والترتيب، بالمقارنة مع كتلة الغاز والغبار التي تتكوّن منها. ولكن مع تطور النجوم والكواكب، باتت تطلق طاقة إشعاعية انتشرت في الفضاء وسخنت الغاز والغبار الكوني بين النجوم، ولقد أدت الزيادة في درجة الحرارة إلى ارتفاع نسبة الإنتروبيا في الفضاء النجمي، وزادت إنتروبيا

الكون نفسه. يشير شكل آخر من القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى درجة الحرارة بدلاً من الإنتروبيا، ويبيّن القانون في هذا الشكل بأن الحرارة لا تتدفق من تلقاء ذاتها أبداً من الجسم البارد إلى الجسم الحار، وإذا ما حدث ذلك، لابدّ أن شيئاً آخر يحرك هذه العملية. (يبدو هذا الشكل من القانون الثاني مختلفاً جداً عن الصيغة الإنتروبيا، لكنه من زاوية الديناميكا الحرارية مطابق لها تماماً). في المجمِّدة «الثلاجة» مثلاً، هناك إزالة مستمرة للحرارة

من الجزء الداخلي البارد. وتخرج هذه الحرارة عن طريق أنابيب التبريد خلف الثلاجة إلى الغرفة، التي تكون بالطبع أكثر دفئاً من داخل المجمِّدة «الثلاجة». لكن هذا التدفق الحراري من البرودة إلى الحرارة يتم عن طريق المحرك الكهربائي للمجمِّدة «الثلاجة».