علامت سوال/ قوانین ترمودینامیک چیست؟

بيتوته/  به معناي مطالعه درباره انرژي، تبديل انرژي به حالت هاي گوناگون و توانايي انرژي براي انجام کار است. در ابتدا سه قانون ترموديناميک تدوين شد ولي به نظر قانون چهارمي هم وجود دارد که قانون صفرم (zeroth law) نام دارد زيرا قانون يک و دو و سه جايگاه خود را داشتند و مثل اين قانون بنيادي نبودند. چارلز پرسي اسنو، دانشمند و نويسنده انگليسي يک راه جالب براي يادآوردي آسان اين سه قانون پيشنهاد کرده است. او ميگويد قوانين ميتوانند به شکل زير تفسير شوند: ۱- شما نمي توانيد برنده شويد(شما نمي توانيد چيزي براي هيچي بدست آوريد چون ماده و انرژي حفظ مي شود) ۲- شما حتي نمي توانيد ببازيد(شما نمي توانيد به حالت مشابه قبلي خود برگرديد چون آنتروپي-بي نظمي-هميشه در حال افزايش است) ۳- شما نمي توانيد از اين بازي خارج شويد(چون حالت صفر مطلق هيچ گاه به دست نمي آيد) خب، اين قوانين واقعا چه مطلبي را بيان مي کنند و چرا مهم هستند؟ به زبان ساده، اين قانون ها نياز هاي کار و حرارت را نشان مي دهد. قوانين ترموديناميک در قرن ۱۹ به وجود آمد و همراه انقلاب صنعتي تکامل پيدا کرد. قبلا فيزيکدانان به اندازه ي تغييرات شيميايي که همراه کار حقيقي بود درگير مطالعه جريان همرفتي گرما شده بودند. آنها به دنبال بيشترين منفعت و بالاترين بازده بودند. يعني ميخواستند ماشين دائمي حرکتي بسازند که با حرکت بي نهايت خود گرما توليد کند، متاسفانه اين ايده با شکست مواجه شد. به طور کلي آنها توانستند نشان دهند ساختن چنين ماشيني غيرممکن است. قانون اول به صورت کلي مي گويد انرژي و ماده به وجود نمي آيند و از بين نمي روند تنها شکلشان از جامد، مايع، گاز و پلاسما تغيير مي کند و ورودي هر ماشيني با خروجي آن برابر است. به عبارتي ديگر تغيير انرژي دروني سيستم ِ بسته، برابر دماي اضافه شده منهاي کار خالصي است که ماشين انجام مي دهد چون سيستم در دنياي واقعي کار مي کند، هميشه مقداري انرژي به محيط بيرون منتقل مي شود (اتلاف انرژي) اينگونه هدايت بي کفايتي و قانون دوم که براي پنهان کردن عيب قانون اول به وجود آمد. قانون دوم ضرورتا بيان مي کند که نمي توان فرآيندي را بدست آورد که در آن، اثر منحصربفرد در واقع کسر يک حرارت مثبت از يک منبع و توليد يک کار ِ مثبت باشد. انرژي، بي نظمي(آنتروپي) به دنبال دارد و از منبع خود حرکت مي کند. در اين حالت انرژي يا دما از جسم سردتر به جسم گرم تر نميرود. شما نمي توانيد بدون افزودن انرژي به سيستم جريان متداوم دما را ايجاد کنيد. براي ماشين، شما بايد انرژي وارد کنيد تا کار بيشتري انجام شود و نسبت دما به کار هيچ وقت ۱ نمي شود، چون اتلاف انرژي وجود دارد. کيهان هم همين طور است و در طول زمان بي نظمي آن زياد ميشود. اما چگونه؟ انرژي قابل استفاده براي باروري، رشد و ترميم استفاده مي شود. در اين دوره انرژي قابل استفاده به انرژي غيرقابل مصرف تبديل مي شود. در واقع آنتروپي براي اندازه گيري انرژي غير قابل استفاده در يک سيستم ِ بسته استفاده مي شود. هنگامي که در يک بازه زماني اين انرژي زياد و انرژي قابل مصرف کم مي شود، بي نظمي زياد مي شود. ميتوان نتيجه گرفت که جهان هستي در نقطه ي آغاز آنتروپي صفر داشته است، اما چگونه آنتروپي شروع به کم شدن کرد؟ قانون سوم اين مورد را بيشتر توضيح مي دهد. طبق اين قانون همه ي اتفاقات در دماي صفر مطلق(منفي ۲۷۳ سانتي گراد) متوقف مي شوند. در اين دما جنبش مولکول ها و انرژي جنبشي متوقف مي شود. در واقع ديگر هيچ انرژي وجود نخواهد داشت! با قانون اول، مي دانيم که ماده/انرژي نه ساخته و نه نابود مي شود. مي تواند شکل خود را تغيير دهد، مثلأ از جامد به مايع، گاز يا پلاسما تبديل شود و دوباره به حالت قبل بازگردد، اما مقدار ماده/انرژي در سيستم (کيهان) ثابت باقي مي ماند. قانون دوم بيان مي کند در حاليکه مقدار ماده/انرژي يکسان باقي مي ماند، کيفيت آن در طول زمان کاهش پيدا مي کند. اين اتفاق چگونه رخ مي دهد؟ انرژيِ قابل استفاده براي باروري، رشد و تعمير بکار مي رود. در اين فرآيند، انرژيِ قابل استفاده به انرژيِ غيرقابل استفاده تبديل مي شود و در نتيجه انرژي قابل استفاده به شکل ِ انرژيِ غيرقابل استفاده از دست مي رود (گم مي شود). آنتروپي به عنوان مقياسي از انرژيِ غير قابل استفاده در يک سيستم بسته بکار مي رود. با افزايش آنتروپي و کاهش انرژيِ قابل استفاده به ميزان مساوي (قانون اول)، تصادفي بودن افزايش مي يابد. همانطور که قبلأ گفته شد، انرژي اصولأ به شکل يک انرژي غيرقابل استفاده از منبع خود عقب نشيني مي کند. به عنوان يک مثال بسيار ساده، آتش را در نظر بگيريد. وقتي چوب (ماده) را به آن اضافه مي کند، حرارت (که سپس به طرف محيط پيرامون حرکت مي کند)، دود و بخار آب ايجاد مي شود که دوباره به طرف محيط پيرامون فرار مي کنند و در نهايت خاکستر ايجاد مي شود که آخرين حرارتِ باقيمانده ي خود را به محيط پيرامون منتقل مي کند. شما با سرما و خاکستر مرده تنها مي مانيد که يک شکل تصادفي به خود گرفته که ظاهرأ هيچ ارتباطي با شکل چوبي قبلش ندارد. قانون صفرم ترموديناميک پايه اي تر از ۳ قانون قبلي است و بعد از آنها کشف شد. به طور ساده ميگويد اگر سيستم ۱ و ۲ در حال تعادل گرمايي با سيستم ۳ باشند، ميتوان فهميد که سيستم ۱ و ۲ خود نيز در تعادل گرمايي اند. به عنوان مثالي ديگر براي شرايط فيزيکي، جان هم وزن بيل است. سم نيز هم وزن بيل است؛ بنابراين، جان و سم هم وزن هستند. در حاليکه قانون صفرم سيستم هاي بسيار پيچيده تري را توصيف مي کند، ضروريات يکسان هستند. از ميان اين قوانين ترموديناميک، قانون دوم قدرتمندترين قانون است و بيشترين دلالت ها را دارد، اين قانون حتي در فرهنگ معروف نيز حضور دارد. هومر سيمپسون يکبار گفت: «در اين خانه، ما از قانون دوم ترموديناميک پيروي مي کنيم». جدأ، قانون دوم اساسأ بيان مي کند که کيهان انرژيِ قابل استفاده ي خود را به طور ثابت از دست مي دهد و هرگز آن را بدست نمي آورد. همچنين مي دانيم که کيهان به طور ثابت در حال انبساط است، همانطور که قانون دوم ترموديناميک يعني قانون ِ آنتروپي پيش بيني کرده؛ مي توانيم نتيجه بگيريم که کيهان محدود است. همچنين مي توانيم نتيجه بگيريم که کيهان يک شروع خاص دارد: لحظه ي «آنتروپي صفر» ! با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد