قانون دوم ترمودینامیک

[رزیتا]

قانون دوم ترمودینامیک (2)

در مطلب پیشین گفتیم که می‌توان انرژی درونی یک جسم را به صورت گرما یا انرژی مکانیکی استخراج کرد.

دانشمندان در صدد بودند که ماشینی بسازند که بتواند با دریافت انرژی کمتر، کار ( یا گرمای ) بیشتری تحویل دهد. اگر بتوان تمام انرژی درونی یک جسم را به کار تبدیل کرد، تا حد زیادی به این هدف نزدیک می‌شویم. می‌خواهیم ماشینی بسازیم که قادر باشد پس از انجام مقدار معینی کار، به نقطه‌ی ابتدایی خود باز گردد؛ در این صورت این ماشین می‌تواند به طور دائم کار تولید کند.این فرآیند را یک "چرخه" می‌نامیم. حال اگر منبع انرژی این چرخه، انرژی درونی ماده باشد، می‌توان تا پایان یافتن این انرژی درونی، دمای جسم را کاهش داد و در عوض کار تولید کرد.

در عمل هیچ گاه نمی توان چنین ماشینی ساخت. هیچ ماشینی نیست که فقط با یک منبع گرمایی کار کند. برای آن‌که در یک چرخه، مقداری کار انجام گیرد و مقداری گرما استخراج شود، باید قسمتی از چرخه در دمایی پایین تر از دمای منبع عمل کند. قانون دوم ترمودینامیک در واقع همین مطلب را آشکار می‌سازد.

توجه کنید که قوانین ترمودینامیک به ما نشان می‌دهند که چه چیز امکان پذیر نیست. از این رو هیچ تجربه یا آزمایشی به تنهایی نمی تواند آدمی را متقاعد کند که این قوانین صحیح هستند. تنها چیزی که می‌توان گفت این است که ترمودینامیک تاکنون در تفسیر و پیش بینی همه پدیده های گرمایی موفق بوده و هنوز هم هست.

ماشین گرمایی


گرما را می‌توان با سوخت تولید نمود، امّا معمولاً آنچه نیاز داریم کار مکانیکی است. ماشینی که در یک فرآیند چرخه ای، انرژی گرمایی را به کار مکانیکی تبدیل کند، ماشین گرمایی نامیده می‌شود.

ماشین‌های گرمایی اولیه بازده بسیار کمی داشتند. تنها بخش کوچکی از گرمای گرفته شده از منبع گرمایی می‌توانست به کار مفید تبدیل شود. حتّی پس از تکامل طراحی فنی این ماشین ها، باز هم کسر قابل ملاحظه ای از گرما هدر می‌رفت و به انرژی مکانیکی تبدیل نمی شد. آرزوی ابداع ماشینی که بتواند گرما را از یک منبع بی انتها، مثلاً آب اقیانوس، بگیرد و آن را به طور کامل به کار مفید تبدیل کند، هیچ وقت عملی نشد. اگر این اتفاق می افتاد، ما دیگر نیازی به سوزاندن سوخت نداشتیم. می‌توان ثابت کرد که اگر چنین می‌شد، حتی امکان این را داشتیم که ماشینی بسازیم تا بدون نیاز به کار خارجی، گرما را از جسم سرد به جسم گرم منتقل کند ( یعنی یک یخچال که انرژی مصرف نمی کند! ). هیچ یک از این آرزوهای بلند پروازانه، منافاتی با قانون اول ترمودینامیک ندارد. ماشین گرمایی، انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کرد، امّا میزان کل انرژی در این فرآیند ثابت بود. با وجود این، هیچکدام از این آرزوها هرگز تحقق نیافته اند.

قانون دوم ترمودینامیک نیز - که همان طور که گفتیم از تعمیم تجربه های متعدد ما حاصل شده است - مؤید آن است که چنین ماشین هایی وجود ندارند. این قانون به چندین صورت مختلف بیان می‌شود که می‌توان نشان داد همگی آنها معادل یکدیگر هستند؛ یعنی اگر هر یک از این بیان‌ها نادرست فرض شود، می‌توان نشان داد بیان های دیگر نیز نادرست است. ما در این جا دو صورت از بیان این قانون را می‌آوریم. در صورت اول بر بازده تبدیل گرما به کار تأکید می‌شود و صورت دوم به برگشت ناپذیری طبیعت توجه دارد.

صورت اول، بیان کلوین: فرآیندی که تنها نتیجه‌ی آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، به هیچ وجه ممکن نیست.

صورت دوم، بیان کلاوسیوس: انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرم‌تر، بدون انجام کار، ممکن نیست.

بیان کلوین می‌گوید که در تبدیل گرما به کار نمی توان به بازده صد درصد دست یافت؛ و بیان کلاوسیوس، امکان معکوس شدن تمایل طبیعی گرما به جاری شدن از جسم گرم به جسم سرد، بدون دخالت عامل خارجی ( مثلاً به صورت کار ) را نفی می‌کند. به عبارت دیگر، بیان اول، امکان ساختن ماشین گرمایی ایده آل و بیان دوم، امکان ساختن یخچال ایده آل را نفی می‌کند.

نویسنده:صادق بهداد