تحليل مفهوم القانون الثاني للديناميكا الحرارية

تُعتبر الديناميكا الحرارية أحد فروع الميكانيكا الإحصائية المعنية بدراسة التغييرات الناتجة عن التغيرات في كميات فيزيائية معينة. على سبيل المثال، تُحلل الديناميكا الحرارية تأثيرات التغيرات في الضغط، الحجم، ودرجة الحرارة. كما تدرس أيضًا الطاقة المخزنة داخل الذرات والجزيئات، مثل الطاقة الكيميائية المحتجزة في الروابط الأيونية.

تهدف العلوم الديناميكية إلى فهم كيفية انتقال الطاقة من جسم لآخر، وكيف يمكن للحرارة أن تتنقل عبر الأجسام. كما أنها تفسر طرق تحويل الحرارة والطاقة إلى أشكال أخرى، كمثال على ذلك تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية تُستخدم في حركة السيارات.

تُستخدم هذه المعارف أيضًا في آلات البخار، وتبحث العلوم الديناميكية في كيفية تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، كما يحدث في المحطات الخاصة بتوليد الطاقة الشمسية من الأنهار.

مفهوم القانون الثاني للديناميكا الحرارية

• تتضمن الديناميكا الحرارية مجموعة من القوانين التي تُبين ما يحدث من تغييرات داخل الأنظمة الفيزيائية.
  • تحدث التغيرات في الأنظمة الفيزيائية بناءً على العوامل الخارجية المؤثرة.
  • أيضًا، فإن التغيرات في الكميات الفيزيائية تؤثر على طبيعة النظام الفيزيائي.
  • لكن من بين جميع تلك القوانين، يُعد القانون الثاني للديناميكا الحرارية الأكثر أهمية.
  • هذا القانون يوضح التغيرات التي تحدث في أي نظام فيزيائي.
• يصف القانون التغييرات التلقائية وغير التلقائية، حيث على سبيل المثال، يُظهر أن الجسم الساخن يبرد بشكل تلقائي دون تدخل كيميائي أو أي عامل آخر.
  • بينما تحويل الجسم البارد إلى ساخن يتطلب طاقة تُنفذ هذه العملية.
  • كذلك، يمثل تمدد الغاز في حاوية فارغة مثالًا على التغيرات غير التلقائية.
  • من الأمثلة الأخرى تفاعلات المواد الكيميائية التي تؤدي إلى حالة اتزان.

محتوى القانون الثاني للديناميكا الحرارية

• العالم الألماني رودولف كلاوسيوس أجري دراسات حول التغيرات التلقائية وغير التلقائية التي تحدث في المواد.
  • توصل إلى أن هذه التغيرات تعتمد بشكل كامل على التغيرات التلقائية الممكنة في الأنظمة.
  • يرتبط ذلك بمقدار يُعرف بالإنتروبي.
  • حدد كلاوسيوس أن الإنتروبي يمكن أن تبقى ثابتة أو تتزايد.
  • ذلك في حالة وصول أي نظام إلى حالة اتزان بشكل تلقائي، أو حدوث عمليات طبيعية أيضًا بشكل تلقائي.
  • وأوضح أن الإنتروبي هي مقياس لعدم انتظام النظام.
  • وأيضًا أظهر أن الإنتروبي مرتبطة بالزمن، حيث تزداد في أي نظام.
• على سبيل المثال، عندما يذوب السكر في أي سائل، تتفاعل الجزيئات داخل السكر مع السائل.
  • تذوب الجزيئات وتنتشر بشكل متساوي، مما يؤدي إلى زيادة عدم الانتظام في النظام.
  • عندها، تكون الإنتروبي لكل مادة على حدة (مثل السكر والسائل) أقل أو مساوية لمجموع الإنتروبي الناتج عن المزيج بعد ذوبان السكر.

من خلال هذا المثال وأمثلة أخرى تتعلق بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية، تُظهر النتائج ما يلي:

• لا يمكن بناء أي آلة تعمل بحركة أبدية.
• لا يحدث أي تغيير تلقائي يقوم بتحويل الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن، والعكس.
• أي عملية مختلطة بين نظامين أو أكثر تُعتبر غير عكسية، مما يعني أن الإنتروبي في ذلك الخليط تزداد دائمًا.
• أية عملية تُهدر جزءًا من الطاقة بسبب الاحتكاك تُعتبر أيضًا غير عكسية.

الصيغة الرياضية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية

• القانون الذي وضعه العالم الألماني رودولف كلاوسيوس تمت صياغته رياضيًا في عام 1856م، حيث تمثل Q فيه كمية الحرارة.
  • بينما T تمثل درجة الحرارة، وN هي الكمية المكافئة، التي تشير إلى الإنتروبي وقد أطلق العالم الألماني هذا المصطلح عام 1865م.
• خلال محاضرة فلسفية عُقدت في 24 أبريل، ذكر كلاوسيوس أن “الإنتروبي في الكون تميل نحو نهاية عظمى”، وتُعتبر هذه العبارة من أبرز النصوص المتعلقة بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
  • يشمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية الكون بحالاته المختلفة دون استثناء أو تحديد حالة معينة.