دراسة القانون الثاني للديناميكا الحرارية، تشمل العديد من فروع الميكانيكا الإحصائية وعلوم الديناميكا الحرارية، وهي العلوم التي تبحث في التغيرات التي تحدث نتيجة تغير بعض الكميات الفيزيائية.
على سبيل المثال، تقوم بدراسة التغيرات التي تحدث في الضغط والحجم ودرجة الحرارة، وتدرس أيضا الطاقة المخزنة في الذرات والجزيئات، مثل الطاقة الكيميائية المخزنة في الروابط الأيونية.
تهتم هذه العلوم الديناميكية بدراسة كيفية انتقال الطاقة عبر الأجسام من جسم إلى آخر، وتدرس أيضا كيفية انتقال الحرارة عبر الأجسام.
يشرح كيف يمكن تحويل الحرارة والطاقة إلى أشكال أخرى؛ فمن بين تلك التحويلات تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، ويمكن استخدام هذه الطاقة المتولدة لتحريك السيارات.
وأيضا يتم استخدامها في الآلات البخارية، وتقوم العلوم الديناميكية أيضا بدراسة كيف يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة أخرى مثل الكهربائية؛ مثلالطاقات الموجودة في المحطات الخاصة بتوليد الطاقة الشمسية والأنهار.
توضيح القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- هناك عدة قوانين للديناميكا، وكلها تهدف إلى توضيح ودراسة التغيرات التي تحدث داخل الأنظمة الفيزيائية.
- يتم تغيير الأنظمة الفيزيائية بناء على العوامل الخارجية الموجودة.
- وأيضا، التغير في الكميات الفيزيائية يؤدي إلى تغير في النظام الفيزيائي.
- ومن بين تلك القوانين المتعلقة بالديناميكا الحرارية وما يتم دراستها، يعتبر القانون الثاني الأهم.
- يقوم القانون الثاني بشرح التغيرات التي تحدث في أي نظام فيزيائي أو غيره.
- يستخدم القانون لوصف التغيرات التلقائية وغير التلقائية بشكل خاص، ومن بين الأمثلة التي يدرسها القانون.
- يعني ذلك أن الجسم الساخن عندما يبرد يستعيد حرارته تلقائيا بدون تدخل كيميائي أو أي تدخل آخر.
- ومع ذلك، يتطلب تحويل الجسم البارد ليصبح ساخنا استخدام طاقة لتسخينه.
- توسع الغاز عندما يوضع في مكان فارغ هو أيضا من أشكال التغيرات غير التلقائية.
- يمكن أيضا ذكر مثال على تفاعل المواد الكيميائية مع بعضها البعض.
- وبالتالي، تكون هذه التفاعلات في حالة توازن.
شاهد أيضًا: بحث عن الاحتكاك والحركة في الفيزياء كامل
ما يتضمنه القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- قام العالم الألماني رودولف كلاوسيوس بناء على ما تم دراسته وتجريبه حول التغير التلقائي والغير التلقائي الذي يحدث للمواد.
- بأنه يعتمد تماما على التغير التلقائي الذي قد يحدث في جميع الأنظمة.
- يكون مرتبطا بالكمية الفيزيائية ويطلق عليه اسم الانتروبي.
- حيث استنتج العالم الألماني أن الإنتروبي يمكن أن تكون في حالة ثبات أو زيادة.
- ويحدث ذلك في حالة وجود أي نظام يتم توصيله تلقائيا إلى حالة التوازن، أو في حالة حدوث عمليات طبيعية بشكل آلي فيه.
- أوضح هذا العالم الألماني أن الإنتروبي ليست سوى مقاييس توضح الاضطراب في تنظيم النظام.
- توصلنا أيضا إلى أن الانتروبي لها علاقة بالزمن في أي نظام، حيث تزداد بمرور الوقت.
- مثال على ذلك هو عندما يتم ذوبان السكر في أي سائل؛ فإنه يتم التعامل مع هذه الجزيئات داخل السائل.
- حيث تذوب وتنتشر في السائل بالتساوي، وأيضا عدم التوازن.
- في النظام، يحدث زيادة عندما يتم ذوبان السكر في السائل.
- في ذلك الوقت، تكون الانتروبي لكل مادة بشكل منفصل أقل، مثل السكر والسائل.
- أو تقريبا يساوي مجموع الإنتروبي للمزيج بعد ذوبان السكر في السائل.
ومن خلال هذا المثال وغيره من الأمثلة العديدة على قانون الديناميكا الحرارية الثاني، كانت النتائج كما يلي:
- من المستحيل بناء أي آلة تعمل بحركة لا نهائية.
- لا يحدث تغييرا تلقائيا يقوم بنقل الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن أو العكس.
- ومن بين النتائج التي توصلنا إليها هي أن جميع العمليات التي يتم فيها خلط أي نظامين أو أكثر غير قابلة للعكس، وهذا يعني أن نسبة الإنتروبيا في هذا الخليط تزداد دائما.
- يعتبر أي عملية يتم فيها هدر جزء من الطاقة نتيجة الاحتكاك أيضا عملية غير قابلة للعكس.
شاهد أيضًا: بحث عن الحركة الدورانية في الفيزياء doc
الصيغة الرياضية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية
- في عام 1856م، صاغ العالم الألماني رودولف كلاوسيوس القانون بصيغة رياضية، حيث كانت الحرارة تمثلها الحرف `Q` في قانونه الرياضي.
- وترمز الـ T إلى درجة الحرارة، والـ N تعبر عن الكمية المكافئة، والتي تشير إلى الانتروبيا، وهذا هو الاسم الذي أطلقه العالم الألماني في عام 1865م.
- وقدم هذا التعريف من قبل عالم ألماني، وتم ذلك في إحدى المحاضرات الفلسفية في 24 أبريل.
- في نهاية محاضرته، أعلن كلاوسيوس أن “الانتروبيا في الكون تتجه نحو نهاية عظيمة”.
- تعتبر هذه العبارة التي قالها العالم الألماني في نهاية محاضرته واحدة من أشهر النصوص للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
- يشمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية الكون بكافة حالاته، دون تمييز أو تحديد حالة محددة.
شاهد أيضًا: بحث عن ثابت بولتزمان في الفيزياء
تتنوع قوانين الديناميكا الحرارية إلى أربع قوانين، حيث تصف جميعها الخواص والسلوك المتعلق بنقل الحرارة من جسم إلى آخر، ويقوم القانون الثاني للديناميكا الحرارية بهذا الدور.
حيث يهدف إلى وصف التغيرات التي تحدث على جسم معين، سواء كانت تغيرات تلقائية أو غير تلقائية نتيجة تأثره بعوامل خارجية أخرى.
