علم ترمودینامیک
جهان مکانیک موضوع: انتروپی دوشنبه 31/5/84 علم ترمودینامیک برپایه چهار اصل کلی قرار دارد که چهار قانون ترمودینامیک نامیده می شود. از میان این چهار قانون ابتدا قانون دوم و سپس قانون اول کشف شد. قانون سوم به نام قانون صفرم نامیده می شود. البته اینها منطقی است چون علم ترمودینامیک از منطقی ترین و کاربردی ترین علوم روی زمین است. به طور خلاصه این چهار قانون را بیان می کنیم: قانون صفرم درباره توصیف مفهوم دماست. قانون اول درباره اصل بقای انرژی است. قانون دوم درباره اصل انتروپی و قانون سوم دمایی فوق العاده پایین و دور از دسترس است. با استفاده از این چهار اصل می توان به: توصیف ویژگیهای ماده و حتی وضعیت نهایی جهان پرداخت در دنیای واقعی تعادل را کمتر می توان یافت. در جزایر آتشفشانی مواد مذاب داغ بر سطح زمین جاری می شود. در مناطق قطبی اقیانوس منجمد جنوبی بزرگترین دستگاه یخ سازی دنیا پیوسته مشغول کار است. در صحرای بزرگ آفریقا خورشید بی رحمانه به سطح زمین می تابد و آن را گرم می کند. در آبشارهای سراسر دنیا نیز آب به فرسایش سنگهای دنیا مشغول است. از بدو شکل گیری تاکنون زمین به شکل یک ماشین بزرگ پیوسته مشغول کار است. زمین کارخانه ای است که همیشه کار می کند و هیچگاه تعطیل نمی شود. زمین یک موتور طبیعی است تا موقعی که از خورشید انرژی دریافت می کند به کار خود ادامه خواهد داد. موتورهای تولید نیرو از موج های دریا یا موتورهای دیزل غول پیکری که کشتی ها را به حرکت درمی آورد و یا هر موتور دیگر تنها به یک دلیل کار می کند. به این دلیل که حرارت و حرکت می تواند ماده را جابه جا کند. طی چند سال گذشته موتورهای حرارتی پیشرفت زیادی داشتند، ولی از آن زمان تاکنون گرما فقط در یک جهت حرکت می کند. (از دمای بالاتر به دمای پایین تر). تمام موتورها و خود زمین به این دلیل بر کار خود ادامه می دهند که یکی از قسمتهای آنها در دمای بالاتری قرار گرفته است. در طبیعت جریانها و پدیده های قدرتمندی در اتمسفر به وجود می آید، که نیروی خود را از اختلاف دمای خط استوا و قطبهای شمال بدست می آورد. در هر مکان و هر موتوری این اصل برقرار است. در این خودروی موجود اختلاف دما بین سوخت و هوای درون سیلندر و آبی که در سیستم خنک کننده آن جریان دارد، باعث ادامه کار موتور می شود. موتورهای بخار نیز بین دمای بالای دیگ بخار و دمای پایین هوای محیط کار می کنند. هرچه اختلاف این دو دما بیشتر باشد، (دمای بالا داغ تر و دمای پایین خنک تر باشد) موتور بهتر کار می کند. ولی اگر جریان سوخت متوقف شود، و موتور شروع به خنک شدن کند، عملکرد آن نیز متوقف می شود. البته این به معنی دردسر است. اگر تمام قسمتهای موتور به دمای یکسانی برسد و تمام حرکتها متوقف شود موتور به وضعیت نهایی خود می رسد، که وضعیت تعادل نام دارد. از دیدگاه علمی این امر چگونه تولید می شود؟ در این شبیه سازی دینامیکی مولکولی هر زوج از اتمها به گونه ای طراحی شده که مطابق با نیروی بین اتمی عمل کند. هنگامیکه یک جسم سرد با یک جسم گرم تماس می یابد چه اتفاقی می افتد؟ انرژی حرارتی از جسم گرم به جسم سرد می رود و این کار ادامه می یابد تا هر دو جسم به دمای یکسانی برسند. به چنین شرایطی وضعیت تعادل دمایی گویند. در نگاه اول به نظر می رسد تعادل مکانیکی با تعادل دمایی فرق داشته باشد. تعادل مکانیکی عدم سقوط اجسام است. هنگامیکه یک جسم در حال تعادل سقوط می کند و به زمین برخورد می کند هر جهش مجدد آن از جهش قبلی اندکی کمتر است ولی چرا؟ زیرا انرژی جنبشی کل جسم باعث حرکت نامنظم اتمهای آن می شود. این فرایند بسیار شبیه جریان یافتن حرارت درون اجسام است، و البته نتیجه مشابهی را نیز دربردارد. تمام انرژی موجود در جسم در نهایت به انرژی جنبشی و پتانسیل و حرکات نامنظم تبدیل می شود. اگرچه این فرضیه تعادل به معنی آرامش و سکون است، ولی این ایده حرکت نامنظم اتمها را از نظر مخفی نگه می دارد. به همین دلیل مفهوم تعادل به دیدگاه ما بستگی دارد تا بتوانیم چیزی که در پشت این مفهوم قرار دارد درست درک کنیم. در وضعیت تعادل تمام دماها با یکدیگر برابر هستند. از این رو در چنین حالتی هیچ ماشینی کار نخواهد کرد، هیچ آتشفشانی فعالیت نمی کند، هیچ آبی فرو نمی ریزد، هیچ موتور بزرگی تمایل به انجام کار ندارد و موتورهای کوچکتر نیز قادر به انجام کار نیستند. در همه جا طبیعت سعی دارد به وضعیت تعادل برسد. اجسام سرد و اجسام گرم به سوی دمای یکسانی حرکت می کنند. اجسام در حال سقوط نیز کار خود را به گرمای بی مصرف تبدیل می کنند. از نظر فیزیکدانان وقتی در تمام جهان چنین رفتاری بروز می کند، باید توضیحی علمی برای آن وجود داشته باشد. البته این توضیح امروزه داده شده است. این توضیح در ابتدا به صورت یک ایده مطرح شد. ایده ای برای ساخت موتورهای بهتر؛ مرد جوانی به نام کارنو توانست نشان دهد که هیچ موتوری وجود ندارد که قادر باشد تمام حرارت ورودی خود را به کار تبدیل کند. ایده های بزرگ کارنو هیچگاه به کار گرفته نشد. البته در دنیای واقعی چنین امری نیز محال است. با این حال او سعی در طراحی موتور ایده آل تری داشت که طبیعت اجازه ساخت آن را می دهد. ایده های او بسیار فراتر از زمان خود بود. کارنو موتوری را طراحی کرد که در دمای بالای معین (Ti) و دمای پایین معین (To) کار می کرد. موتور کارنو از دمای بالاتر (Ti) مقدار حرارت (Ki) را دریافت کرده و مقداری از آن را به کار (W) تبدیل می کند، مابقی این حرارت (Ko) به دمای پایین تر وارد می شود. از آنجا که چرخه کارنو در جهت عکس نیز خوب کار می کند، موتور او ایده آل ترین موتوری است که طبیعت اجازه ساخت آن را می دهد. با این حال ایده های کارنو که در ابتدا با بی توجهی مواجه شدند، بعدها به یکی از بنیادی ترین اصول جهان مبدل گردیدند. فیزیکدانی آلمانی به نام رُدُل کلازیوس که از شهرت چندانی برخوردار نبود و همچنین ویلیام تامسون که استاد فلسفه طبیعی در گلاسکو بود و بعدها لقب لُرد کلگین را گرفت نقش عمده ای در پیشرفت کارنو داشتند. آنها دست نوشته های کارنو را نجات داده و از این نوشته ها علم ترمودینامیک را به دنیا معرفی نمودند. کلازیوس و تامسون در میان این دست نوشته ها حقیقت حیرت آوری را یافتند و این حقیقت را به زبان ساده ریاضی بیان کردند. در موتور ایده آل کارنو نسبت حرارت ورودی به حرارت خروجی برابر نسبت دو دمای معینی بود که برای به حرکت درآوردن موتور مورد استفاده قرار گرفت. به عبارت دیگر این تعریف دیگری از فرضیات کارنو بود. کمیتی که بعد از ورود به همان شکل خارج می شد. اگر این کمیت دما و گرما نبود پس چه چیزی می توانست باشد؟ این کمیت برابر نسبت حرارت به دمایی است که در آن جریان دارد. طبق تعریف کلازیوس این کمیت انتروپی نام دارد. در موتور کارنو انتروپی از دمای بالاتر وارد شده و با انجام کار به همان مقدار به دمای پایین تر وارد می شود. بنابراین در یک موتور ایده آل علاوه بر انرژی انتروپی نیز پایدار باقی می ماند. ولی در واقعیت بر چه شکل است؟ در دنیای واقعی که موتورها با دود و سر و صدای فراوان کار می کنند چه اتفاقی می افتد؟ بدیهی است که در تمام موتورها انرژی پایدار باقی می ماند و کار انجام شده توسط آنها برابر است، با حرارت ورودی بخش بر حرارت باقی مانده. ولی در دمای یکسان موتور واقعی کاری به مراتب کمتر از موتور ایده آل کارنو انجام می دهد. این موتور علاوه بر کار کمتر گرمای بیشتری نیز آزاد می کند. اگرچه انتروپی ورودی این موتور با موتور کارنو برابر است، ولی انتروپی خروجی آن بزرگتر است. چنین حقیقتی کمی عجیب می نماید. انتروپی خروجی یک موتور واقعی از انتروپی ورودی آن کمتر است. آیا این به این معنی است که موتورهای واقعی انتروپی را از هیچ به وجود می آورند؟ پاسخ مثبت است. دلیل امر عدم جریان حرارت در شرایط همدماست. بدون توجه به نوع مواد خروجی تمام موتورهای واقعی انتروپی تولید می کنند. بدون توجه به محیط و شرایط کاری مقدار انتروپی همواره در حال افزایش است و انسانها تنها موجوداتی نیستند که انتروپی تولید می کنند. در هر روز موتورهایی در طبیعت به تولید انتروپی مشغول هستند. هیچکس در روی زمین نمی تواند در تولید انتروپی با طبیعت مقابله کند. هر مقدار از ماده در هر جای جهان مقدار انتروپی مشخصی دارد. اگرچه تعیین مقدار انتروپی موجود در ماده کار ساده ای نیست، ولی جریان یافتن آن از یک جسم به جسم دیگر قابل اندازه گیری است. در هر کجای دنیا که حرارت جریان پیدا کند، انتروپی نیز با آن جریان می یابد. تمام موتورها حرارت مورد نیاز خود را از جایی تامین می کنند. این حرارت می تواند توسط خورشید یا دیگ بخار کشتی تولید شود. موتورها مقداری از این حرارت را برای انجام کار مصرف کرده و مابقی آن را آزاد می کنند. محیطی که حرارت به آن تخلیه می شود چندان اهمیت ندارد. این محیط می تواند هر جایی مثل اتمسفر زمین یا هر جای دیگری که چندان تحت تاثیر حرارت قرار نگیرد باشد. موتورهایی که به وسیله انسان ساخته شده است، عملکردهایی مشابه موتورهای طبیعی دارد. هنگامیکه حرارت از دمای بالا به دمای پایین تر جریان یابد، به کار خود ادامه خواهند داد، و تا زمانیکه این حرارت توسط بنزین، چوب، ذغال سنگ یا چیزهای دیگر تامین شوند موتورها نیز می چرخند. با قطع شدن سوخت انتقال حرارت نیز متوقف می شود و موتور به تدریج خنک می شود. زمانیکه بدنه موتور با دمای اطراف خود برابر شود، در وضعیت تعادل قرار می گیرد. تا زمانیکه جسم گرمتر دمایی از جسم سردتر داشته باشد و حرارت جریان یابد انتروپی نیز افزایش پیدا می کند و این افزایش ادامه می یابد تا جسم در حالت تعادل قرار گیرد. در چنین وضعیتی انتروپی دیگر افزایش نمی یابد. به عبارت دیگر وضعیت تعادل شرایطی است که انتروپی در آن به حداکثر میزان خود رسیده است. تمام پدیده های طبیعی را می توان به صورت تمایلی برای افزایش انتروپی توصیف کرد. این تمایل در سراسر جهان وجود دارد. اگرچه این اصل در مجامع علمی هم اکنون پذیرفته شده است. ولی محققین داوطلب ما هنوز کار خود را به پایان نبردند، زیرا هنوز یکی از پدیده های آنها ناشناخته مانده است. علی رغم آب شدن یخ در هنگام ورود حرارت به آن زمانی که بلورهای یخ به صورت جامد وجود دارد. دمای یخ افزایش نمی یابد ولی چرا؟ جریان حرارت باعث تغییر شکل یخ از حالت جامد به حالت مایع ثابت می شود. از این رو با تغییرات از حالت جامد به مایع انتروپی آب افزایش می یابد. بدین ترتیب آب دارای انتروپی بیشتری نسبت به یخ می باشد. در واقع هر ماده ای در حالت جامد دارای انتروپی کمتری نسبت به مایع است. ماده در حالت مایع دارای نظم کمتری نسبت به حالت جامد است. از این رو دارای انتروپی بالاتری می باشد. در روی زمین و آبها افزایش انتروپی به معنی افزایش بی نظمی است. در یک جامعه با قرار گرفتن اتمها در ساختار هندسی مناسب مولکولها به گونه ای کنار هم قرار می گیرند تا انرژی پتانسیل را به حداقل رسانند، در این میان آب یک استثنا است. مولکولهای مایعات همانند مولکولهای جامد باعث کاهش انرژی پتانسیل نمی شوند. از این رو مولکولهای مایعات علاوه بر داشتن انتروپی بیشتر انرژی پتانسیل بیشتری را نیز در خود دارند. در نتیجه انرژی کلی آنها بیشتر است. چرا یخ آب می شود؟ این سوال اصلی است. اگر پاسخ سوال چندان آشکار نیست بهتر است از دیدگاه بلورهای یخ به این سوال نگاه کنیم. یخ در هنگام ذوب شدن تبدیل به آب می شود. به عبارت دیگر در سطح انتروپی بالاتری قرار می گیرد و این خوب است، چون طبیعت مایل به افزایش انتروپی است. یخ قبل از ذوب شدن باید انرژی داخلی خود را افزایش دهد. این انرژی را باید از دنیای خارج تامین نماید. اگر انرژی به صورت حرارت از خارج وارد یخ شود، باعث کاهش انتروپی مابقی جهان می شود و این خوب نیست. ولی تاثیر تا چه حد است؟ انتروپی مابقی جهان به اندازه انرژی خارج شده تقسیم بر دما کاهش می یابد. ذاتاً طبیعت مایل است انتروپی خود را افزایش دهد. در این مورد خاص نیز یخ و حتی تمام جهان هستی تمایل به افزایش انتروپی دارد. اگردما کم باشد وضعیت مناسبی حکمفرما نیست. ذوب شدن یخ باعث کاهش شدید انتروپی مابقی جهان هستی می شود ولی اگر گرما زیاد باشد شرایط بهتر می شود و انتروپی کلی در هنگام ذوب یخ افزایش می یابد. به همین دلیل یخ در دمای پایین تر ذوب نمی شود و در دمای بالاتر نیز نمی تواند وجود داشته باشد. افزایش انتروپی جهان برابر افزایش انتروپی یخ نمی باشد. بلکه این مقدار در یک دمای معین برابر است با انتروپی منهای انرژی تقسیم بر دمای یخ. با کاهش مقدار تفاضل انرژی و حاصل ضرب دما در انتروپی هر ماده انتروپی جهان هستی افزایش می یابد عبارت F=E-TS انرژی آزاد نام دارد. هر ذره کوچک ماده در دنیا سعی در کاهش سهم مقدار انرژی آزاد خود دارد، تا بدین ترتیب انتروپی جهان هستی را افزایش دهد. زمانی عده ای بر این عقیده بودند که افزایش انتروپی جهان هستی آن را به حداکثر بی نظمی خواهد رساند و آن را وضعیت نهایی جهان نامیدند، که البته منظره چندان جالبی نیست. در چنین وضعیتی همه چیز در حالت بی نظمی قرار دارد. یک سوال باقیست با وجود روند افزایش انتروپی که تمام جهان هستی را به سمت بی نظمی سوق می دهد، چندان هم دور از انتظار نیست که سرنوشت جهان را درون یک لیوان نوشیدنی جستجو کنیم. بدین ترتیب اصل انتروپی علاوه بر تعیین مقدار بازدهی موتورهای بخار دلیل یخ زدن مایعات و ذوب شدن جامدات را در دمای معین بفهمیم. با این حال بعضی اعقتاد دارند که مفهوم انتروپی از این فراتر رفته و جهت گذشت زمان را تعریف می کند.
منبع:
http://tv4.irib.ir/progtext/fulltext.asp
14