قانون دوم ترمودینامیک

**رزیتا** · #1 02-08-2010

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

**رزیتا** · #2 02-08-2010

قانون دوم ترمودینامیک (1)

چرخه کارنو

یکی از مهم‌ترین چرخه های بازگشت پذیر، چرخه‌ی کارنو است که توسط سعدی کارنو معرفی شد. این سیستم شامل یک ماده است که انتقال گرما را به عهده دارد و اصطلاحاً " ماده‌ی کار " نامیده می‌شود. چرخه از دو فرآیند هم دمای بازگشت پذیر (ISOTHERMAL )و دو فرآیند بی در روی بازگشت پذیر (ADIABIATIC ) تشکیل شده است.

می‌توانید در مدل سازی بالا، مراحل مختلف کار این چرخه را مشاهده کنید. برای سادگی، می‌توان ماده‌ی کار را یک گاز ایده آل فرض کرد که در استوانه ای قرار دارد که قاعده‌ی آن رسانای گرماست، ولی دیواره های آن و پیستون، عایق گرما هستند. نتیجه این چرخه آن است که گرما توسط سیستم به کار تبدیل شده است.

اگر چه ماشین‌های گرمایی واقعی بر پایه‎ی یک چرخه‌ی بازگشت پذیر کار نمی کنند، ولی چرخه‌ی کارنو ( که بازگشت پذیر است ) اطلاعات مفیدی درباره رفتار هر ماشین گرمایی به دست می‌دهد و اهمیت خاصی دارد؛ زیرا می‌توان اثبات کرد چرخه کارنو تعیین کننده حد بالای بازده ماشینهای حقیقی است و بنابر این هدفی را که باید به آن برسیم مشخص می‌کند.
بازده یک ماشین گرمایی (e) عبارتست از نسبت کار انجام شده توسط ماشین (w) در یک چرخه، به گرمای گرفته شده از منبع گرم (Q1 ):

این معادله نشان می‌دهد که بازده ماشین گرمایی تا وقتی گرمای خارج شده از سیستم صفر نشود، به یک نمی رسد. تجربه نشان می‌دهد که ماشین در موقع تخلیه‌ی دود، مقداری گرما از دست می‌دهد. این، همان مقدار گرمایی است که هدر می‌رود و در طی فرآیند به کار تبدیل نمی شود.

چرخه‎ی کارنو را می‌توان با معکوس کردن جهت فرآیند‌ها انجام داد ( توجه کنید که تمامی مراحل این چرخه بازگشت پذیرند. ). در چنین چرخه ای، باید کار روی سیستم انجام شود تا گرما از منبعی با دمای پایین به منبعی با دمای بالا ( یعنی در جهت عکس فرآیندهای خود به خود طبیعت ) منتقل گردد. بنابر این، سیستم مانند یخچال عمل می‌کند. یعنی با کاری که به آن داده می‌شود ( توان الکتریکی ورودی ) گرما را از جایی که دمای پایین قرار دارد ( درون یخچال ) به جایی با دمای بالاتر ( اتاق ) منتقل می‌کند.

کارنو نخستین کسی بود که مطالبی علمی در مورد ماشینهای گرمایی منتشر کرد. او در سال 1824 مقاله ای با عنوان " اندیشه هایی درباره‌ی قدرت محرکه‌ی گرما " منتشر کرد. در آن هنگام استفاده از ماشین بخار که یک ماشین گرمایی است، در صنعت متداول بود. کارنو توجه خود را به این واقعیت معطوف کرد که اختلاف دمای دو منبع، سر چشمه‌ی حقیقی قدرت محرکه است و نوع ماده کار از لحاظ نظری اهمیتی ندارد. او هم چنین این قضیه را - که اهمیت عملی زیادی دارد - بیان کرد:
بازده تمام ماشین های بازگشت پذیری که بین دماهای یکسانی کار می‌کنند، با هم برابر است و بازده هیچ ماشین بازگشت ناپذیری، که بین همان دو دما کار می‌کند، نمی تواند بیشتر از این باشد.

توجه داشته باشید که در این قضیه هیچ اشاره ای به ماده کار نشده است. یعنی بازده یک ماشین بازگشت پذیر مستقل از ماده کار است و تنها به دما بستگی دارد. علاوه بر این، بازده یک ماشین برگشت پذیر، حداکثر مقدار ممکن برای هر ماشینی است که در بین همان دو حدّ دمایی کار می‌کند.

این واقعیت از آن جا ناشی می‌شود که می‌توان نشان داد که در چرخه کارنوQ1/Q2=T1/T2 و در نتیجه:

e=1-Q1/Q2=1-T1/T2

برای دست یابی به حداکثر بازده ممکن، دمای T2 باید صفر مطلق باشد. تنها هنگامی که منبع سرد در صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد ) قرار گیرد، تمامی گرمای جذب شده از منبع گرم به کار تبدیل خواهد شد.

امّا چون نمی توانیم یک منبع سرد با دمای صفر مطلق داشته باشیم، ساختن یک ماشین گرمایی با بازده صد درصد نیز عملاً غیر ممکن است. این تجربه منجر به قانون سوم، ترمودینامیک شده است که می‌توان آن را به صورت ساده چنین بیان کرد: با هیچ روشی، هر قدر هم ایده آل باشد، امکان ندارد بتوان دمای یک سیستم را با انجام عملیاتی به تعداد محدود، تا صفر مطلق کاهش داد.

در مطالب بعدی در این مورد بیشتر توضیح خواهیم داد.

نویسنده:صادق بهداد