القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مقدمة

تعتبر علوم الديناميكا الحرارية أو ما يعرف بالثيرموداينمك أحد فروع المكيانيكا الإحصائيّة، التي تدرس تغيرات الطاقة الحرارية الناتجة من تغيّر بعض الكميّات الفيزيائيّة لهذا النظام مثل: تغيّر الضغط، والحجم، ودرجة الحرارة، بالإضافة لدراسة الطاقة الكامنة داخل هذا النظام، أي الطاقة المختزنة داخل الذرات والجزيئات مثل الطاقة الكيميائية المختزنة داخل الروابط الأيونية والروابط المشتركة والطاقة النووية الموجودة في الذرات الثقيلة وغير مستقرة مثل اليورانيوم.

إنّ علوم الديناميكا الحرارية تدرس وتوضح كيفية انتقال الحرارة والطاقة من جسم إلى آخر، وكيفيّة تحوّلها هذه إلى أشكال أخرى مثل تغيّر الطاقة الحراريّة إلى طاقة ميكانيكية والتي تستخدم مثلاً في الآلات البخارية ومحرّكات الاحتراق الداخلي مثل محركات السيارات، وأيضاً تدرس كيفية تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية كما يحدث في محطات توليد الطاقة الشمسيّة والسدود والأنهار، من خلال هذا المقال سوف نتعرّف على أحد قوانين الديناميكية الحرارية وهو القانون الثاني للديناميكا الحرارية ونتعرّف على المتغيّرات التي يعتمد عليها هذا القانون ونبين أهم النتائج التي حصلنا عليها من هذا القانون في الطبيعة.

قانون الديناميكا الحرارية الثاني

تدرس قوانين الديناميكا الحرارية الأنظمة الفيزيائية التي تحدث فيها تغيرات في الطاقة بسبب التأثر بالمحيط الموجودة فيه، بالإضافة لتغيرات في كميات فيزيائيّة أخرى مثل الحرارة والضغط، ومن أهمّ هذه القوانين قانون الثاني للديناميكا الحراريّة والذي يصف التغيّرات التي تحدث بأي نظام وخاصة التغيرات التلقائية وغير تلقائية، ومن الأمثلة على التغيّرات التلقائيّة وغير تلقائيّة هي عندما يبرد الجسم الساخن فإنه يحدث بشكل تلقائي، بينما عملية تحويل الجسم البارد إلى ساخن لا يحدث بشكل تلقائي إنّما نحتاج إلى طاقة لتسخينه، وكذلك عندما نضع غاز في مكان فارغ فإن هذا الغاز يتمدد ولكن لا يحدث العكس أي أنّ الغاز لا يتقلص بشكل تلقائي عند وضعه في إناء فارغ، ومن الأمثلة الأخرى أنه عند تفاعل المواد الكيميائيّة مع بعضها البعض فإنّ هذه التفاعلات تذهب إلى حالة الاتّزان ولا يحدث العكس.

صيغة قانون الديناميكا الحرارية الثاني

من خلال هذه الملاحظات صاغ العالم الألماني رودولف كلاوسيوس قانون الديناميكا الحرارية الثاني، والذي يعتمد على التغير التلقائي في أي نظام مرتبط في كمية فيزيائية معينة اسمها بالإنتروبي، حيث وجد العالم الألماني بأنّ أيّ نظام يريد أن يصل إلى حالة الاتزان بشكل تلقائي أو تحدث فيه عمليات طبيعية بشكل تلقائي فإنّ الإنتروبي لهذا النظام إمّا تبقى ثابتة أو تزداد، وقد بيّن العالم الألماني من خلال معادلات رياضية بأنّّ الإنتروبي هي عبارة عن مقايس لعدم انتظام النظام وازدياد الفوضوية فيها، حيث وجد بأنّ التغيّر في الإنتروبي بالنسبة لزمن في أي نظام تزداد، فمثلاً عندما يتم إذابة سكر داخل سائل معين فإن جزئيات السكر سوف تنتشر وتتوزّع في السائل بشكل متساوٍ وبالمقابل فإنّ الفوضى وعدم الانتظام تزداد في هذه الحالة، يكون مجموع الإنتروبي لكل مادة على حدى (السكر بالإضافة لسائل) أقل أو يساوي الإنتروبي للخليط (عند تذويب السكر في السائل)، والنتائج التي حصلنا عليها من قانون الديناميكا الحرارية الثاني:

• لا يمكن بناء أي آلة تعمل بحركة أبدية.
• لا يوجد تغير تلقائي ينقل الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن أو الجسم البارد يصبح ساخن بشكل تلقائي.
• جميع العلميات التي تحدث فيها خلط بين نظامين أو أكثر تكون غير معكوسة، أي الإنتروبي للخليط يكون بازدياد بشكل دائم، وكذلك أي عملية يوجد فيها ضياع لطاقة نتاج من الاحتكاك أيضاً عملية غير معكوسة.