قانون دوم ترمودینامیک: چرا گرما همیشه یکطرفه حرکت میکند؟
گرما و حرکت خودبهخودی آن: نقطهٔ شروع
همهٔ ما تجربهٔ سرد شدن یک لیوان چای داغ را داریم. گرما از چای به هوای خنکتر اطراف آن منتقل میشود تا زمانی که هر دو تقریباً به یک دما برسند. اما آیا تا به حال دیدهاید که یک لیوان چای سرد، خودبهخود و بدون منبع انرژی خارجی، گرم شود؟ این هرگز اتفاق نمیافتد. این مشاهدهٔ ساده، قلب قانون دوم ترمودینامیک را تشکیل میدهد: انتقال گرما یک فرآیند جهتدار است.
برای درک بهتر، باید دو مفهوم را از هم تمایز دهیم:
| مفهوم | تعریف ساده | مثال |
|---|---|---|
| انرژی گرمایی3 | انرژی ناشی از حرکت و لرزش ذرات تشکیلدهندهٔ یک جسم. | حرارت آتش، گرمای بدن. |
| انتقال گرما | جریان انرژی گرمایی از ناحیهای با دمای بالاتر به ناحیهای با دمای پایینتر. | سرد شدن سوپ داغ در کاسه. |
| کار4 | انتقال انرژی توسط نیرو که باعث جابجایی میشود. | فشار دادن یک پیستون، بلند کردن یک وزنه. |
بیانهای گوناگون قانون دوم: یک اصل، چند فرمولبندی
دانشمندان این قانون را به چند شیوهٔ معادل بیان کردهاند که همه به یک مفهوم کلی اشاره دارند.
این دو بیان به ظاهر متفاوت، در واقع دو روی یک سکه هستند و هر دو به مفهومی به نام آنتروپی ختم میشوند.
آنتروپی: معیاری برای بینظمی و برگشتناپذیری
برای درک عمیقتر قانون دوم، باید با مفهوم آنتروپی (S) آشنا شویم. آنتروپی را میتوان معیاری از بینظمی یا پراکندگی انرژی در یک سیستم در نظر گرفت. قانون دوم در قالب آنتروپی میگوید: در یک سیستم ایزوله (جداسازی شده)، آنتروپی کل هرگز کاهش نمییابد؛ یا ثابت میماند یا افزایش مییابد.
این یعنی فرآیندهای طبیعی به سمتی پیش میروند که بینظمی کل جهان افزایش یابد. این افزایش برگشتناپذیر است.
مثال عملی: یک قطعه یخ را در یک لیوان آب گرم در نظر بگیرید. در ابتدا، مولکولهای منظم یخ (آنتروپی پایین) و مولکولهای پرانرژی آب (آنتروپی بالا) از هم جدا هستند. با گذشت زمان، یخ ذوب میشود و انرژی گرمایی آب در بین تمام مولکولها پخش میشود تا به دمای یکنواخت برسند. حالا سیستم یکنواختتر و بینظمتر شده است: آنتروپی کل افزایش یافته است. جمع شدن دوبارهٔ آب سرد و تشکیل خودبهخودی یک تکه یخ، مستلزم کاهش آنتروپی در یک سیستم ایزوله است که طبق قانون دوم ممکن نیست.
رابطهٔ تغییرات آنتروپی ($\Delta S$) با انتقال گرما ($Q$) در دمای مطلق ($T$) برای یک فرآیند برگشتپذیر ایدهآل به این صورت است:
از نظریه تا عمل: موتورها، یخچالها و زندگی روزمره
حال بیایید ببینیم این قانون انتزاعی چگونه فناوریهای اطراف ما را شکل داده است.
۱. موتور گرمایی (مثل موتور خودرو): این موتورها با استفاده از اختلاف دما کار تولید میکنند. آنها گرما را از یک منبع داغ (مثل احتراق سوخت) میگیرند، بخشی از آن را به کار مفید تبدیل میکنند و حتماً باقیمانده را به یک منبع سرد (هوا یا رادیاتور) دفع میکنند. بازده یک موتور ایدهآل (بازده کارنو7) به اختلاف دمای منبع گرم و سرد بستگی دارد:
که در آن دماها باید بر حسب کلوین8 باشند. این فرمول نشان میدهد هیچگاه بازده به ۱۰۰٪ نمیرسد.
۲. یخچال و پمپ حرارتی: این دستگاهها دقیقاً برخلاف جهت طبیعی انتقال گرما عمل میکنند. آنها گرما را از فضای سردتر (داخل یخچال) گرفته و به فضای گرمتر (اتاق) میدهند. اما طبق بیان کلاوزیوس، برای انجام این کار باید انرژی مصرف کنند (برق). این مصرف انرژی باعث افزایش آنتروپی محیط میشود و قانون دوم را ارضا میکند.
| دستگاه | هدف اصلی | جهت جریان گرما | نیاز به کار ورودی |
|---|---|---|---|
| موتور گرمایی | تبدیل گرما به کار مکانیکی | گرم → سرد (طبیعی) | خیر (کار خروجی تولید میکند) |
| یخچال / پمپ حرارتی | انتقال گرما از سرد به گرم | سرد → گرم (غیرطبیعی) | بله (الزامی) |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. قانون دوم در مورد سیستمهای ایزوله (که با محیط خود تبادل انرژی و ماده ندارند) صحبت میکند. آنتروپی یک سیستم باز میتواند کاهش یابد، اما این کاهش همواره با افزایش بزرگتری در آنتروپی محیط اطراف همراه است، به طوری که آنتروپی کل جهان (سیستم + محیط) افزایش مییابد. مثال: وقتی در یخچال یخ میسازیم، آنتروپی داخل محفظه کاهش مییابد (آب منظم میشود)، اما موتور یخچال گرمای زیادی در آشپزخانه منتشر میکند که آنتروپی محیط را بسیار افزایش میدهد.
هرگز. یک درخت که از مواد ساده، ساختار پیچیده و منظمی مثل چوب و برگ میسازد، یک سیستم باز است. برای انجام این کار، انرژی خورشیدی را جذب و استفاده میکند. فرآیند فتوسنتز و رشد درخت، آنتروپی موضعی را کاهش میدهد، اما در ازای آن، انرژی به شکل گرما و مواد زائد با آنتروپی بالا به محیط پس داده میشود. محاسبات نشان میدهد که آنتروپی کل (درخت + محیط اطراف) در طول این فرآیند افزایش مییابد.
این یک فرضیه بر اساس تعمیم قانون دوم است. اگر جهان را به عنوان یک سیستم ایزوله در نظر بگیریم، آنتروپی کل آن مدام در حال افزایش است. در نهایت، ممکن است به حالتی برسد که تمام انرژی به طور یکنواخت پخش شده و هیچ اختلاف دمایی برای انجام کار وجود نداشته باشد. در این حالت، همهٔ فرآیندهای ماکروسکوپی متوقف میشوند. این یک پیشبینی دوربرد نظری است و قطعیت آن در کیهانشناسی امروز محل بحث است.
پاورقی
1 Second Law of Thermodynamics
2 Entropy: یک کمیت فیزیکی که معیاری از بینظمی ذرات یک سیستم یا میزان انرژی غیرقابل تبدیل به کار است.
3 Thermal Energy
4 Work
5 Kelvin-Planck Statement
6 Clausius Statement
7 Carnot Efficiency: بیشینهترین بازده نظری ممکن برای یک موتور گرمایی که بین دو دمای معین کار میکند.
8 Kelvin: واحد دمای مطلق در سیستم SI. صفر کلوین (0 K) برابر با -273.15°C است.
9 Heat Death of the Universe
