القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنّ الإنتروبيا (الاضطراب) الكلية لنظامٍ معزول بالكامل لا تتناقص وإنما تزداد أو تبقى ثابتة، وبعبارةٍ أخرى فإنّ العمليات الديناميكية الحرارية تؤثّر في أي نظام مسببةً اضطرابه.^[١]

من الجدير بالذكر أنه يُمكن ملاحظة هذا الأمر في الحياة اليومية، فمثلًا عند دحرجة كرة لا بد وأنها ستتوقف بعد فترةٍ من الزمن،^[١] نظرًا لتأثير قوة الاحتكاك التي تُسهم في تحويل طاقة الكرة الحركية إلى طاقة حرارية مهدورة غير قابلة لإعادة الاستخدام.^[٢]

تكمن أهمية القانون الثاني للديناميكا الحرارية في تفسير الظواهر المحيطة بالإنسان، سواء أكانت مرتبطة بالظواهر اليومية مثل ذوبان قطع الثلج في وسط مائي، أو مرتبطة بالتفاعلات الكيميائية، والتي يجب دراسة الإنتروبيا خاصتها لفهم طريقة التفاعل الكيمائي، ووضع تفسيرات صحيحة لنتائجه النهائية.^[٣]

معادلة القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يُمكن التعبير عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالصيغة الرياضية الآتية:^[٤]

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / درجة حرارة الوسط

ΔEntropy = ΔThe Heat Transfer / Temperature

وبالرموز:

ΔS = ΔQ / T

حيث إنّ:

• ΔS: التغير في الإنتروبيا وتُقاس بوحدة جول/ كلفن (J/ Kelvin).
• ΔQ: التغير في الطاقة الحرارية وتُقاس بوحدة الجول (J).
• T: درجة الحرارة وتُقاس بوحدة الكلفن (Kelvin).

أمثلة على القانون الثاني للديناميكا الحرارية

حساب التغير في الإنتروبيا

المثال (1):

إذا علمت أن مقدار الطاقة الحرارية لذوبان الثلج تُساوي 3.33 × ⁴10 جول، ودرجة الحررة التي سيذوب عندها تُساوي 273 كلفن، جد مقدار التغير في الإنتروبيا عند درجة حرارة ذوبان الثلج نفسها.

الحل:

• كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / درجة حرارة الوسط

• تعويض المعطيات:

التغير في الإنتروبيا للنظام = 3.33 × ⁴10 / 273

• إيجاد الناتج:

التغير في الإنتروبيا للنظام = 122 جول/ كلفن

المثال (2):

إذا علمت أن مقدار الطاقة الحرارية لذوبان الثلج تُساوي 4 × ⁴10 جول، ودرجة الحررة التي سيذوب عندها تُساوي 0 سلسيوس، جد مقدار التغير في الإنتروبيا عند درجة حرارة ذوبان الثلج نفسها.

الحل:

• كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / درجة حرارة الوسط

• تحويل درجة الحرارة من سلسيوس إلى كلفن على النحو الآتي:

درجة كلفن = درجة سلسيوس + 273 درجة كلفن = 0 + 273 درجة كلفن = 273 كلفن

• تعويض المعطيات:

التغير في الإنتروبيا للنظام = 4 × ⁴10 / 273

• إيجاد الناتج:

التغير في الإنتروبيا للنظام = 146.5 جول/ كلفن

المثال (3):

إذا علمت أن مقدار الطاقة الحرارية التي يستقبلها محرك حراري تُساوي 3000 كيلوجول عند درجة حرارة 650 كلفن، لكن عندما تكون درجة حرارة الوسط المحيط 295 كلفن، جد مقدار التغير الكلي في الإنتروبيا.

الحل:

• كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية مع الأخذ بعين الاعتبار درجة حرارة المصدر:

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / (درجة حرارة الوسط + درجة حرارة المصدر)

• تعويض المعطيات:

التغير في الإنتروبيا للنظام = 3000 / (650 + 295) التغير في الإنتروبيا للنظام =3000 / 945

• إيجاد الناتج:

التغير الكلي في الإنتروبيا للنظام = 3.17 كيلوجول/ كلفن

حساب التغير في الطاقة الحرارية

إذا علمت أن مقدار التغير في الإنتروبيا لذوبان الثلج يُساوي 100 جول/ كلفن، ودرجة الحررة التي سيذوب عندها تُساوي 273 كلفن، جد مقدار التغير في الطاقة الحرارية عند درجة حرارة ذوبان الثلج نفسها.

الحل:

• كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / درجة حرارة الوسط

• تعويض المعطيات:

100 = التغير في الطاقة الحرارية / 273 التغير في الطاقة الحرارية = 100 × 273

• إيجاد الناتج:

التغير في الطاقة الحرارية = 2.73 × ⁴10 جول

حساب درجة حرارة الوسط

يستقبل محرك حراري طاقة حرارية تُساوي 3000 كيلوجول، إذا علمت أن مقدار التغير في الإنتروبيا يُساوي 3 كيلوجول/ كلفن، جد مقدار درجة حرارة الوسط.

الحل:

• كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

التغير في الإنتروبيا للنظام = التغير في الطاقة الحرارية / درجة حرارة الوسط

• تعويض المعطيات:

3 = 3000 / درجة حرارة الوسط درجة حرارة الوسط = 3000 / 3

• إيجاد الناتج:

درجة حرارة الوسط = 1000 كلفن

مطورو القانون الثاني للديناميكا الحرارية

لعب العديد من المطورين دورًا لا يُستهان به في مجال تحديث ودراسة القانون الثاني للديناميكا الحرارية دراسةً تفصيليةً، كما هو موضح فيما يأتي:^[٥]

• العالم سعدي كارنو

عالم فيزيائي فرنسي كان يُلقب بأبي الديناميكا الحرارية؛ وذلك لأنه المؤسس الأول لأصول القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

• العالم رودولف كلاوزيوس

عالم فيزيائي ألماني عمل طويلًا على تطوير عبارة كلاوزيوس، والتي نصت على أنه لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من مادة ذات درجة حرارة منخفضة إلى مادة ذات درجة حرارة مرتفعة.

• العالم وليام طومسون

عالم فيزيائي معروف باسم لورد كلفن، والذي وضّح أنّه لا يُمكن أن تتحول كامل الطاقة الحرارية للنظام إلى قوة.

يندرج ضمن مفهوم القانون الثاني للديناميكا الحرارية ما يُعرف بالعشوائية والإضراب، وهما اللذان يُسيطران على أي نظام في الكون، لأنه لا يوجد أي نظام تُحوّل كامل طاقته الحرارية إلى قوة، دون أن يجري فقدان جزء منها مع مرور الوقت.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} Amy Dusto (28/12/2020), "Second Law of Thermodynamics: Definition, Equation & Examples", SCIENCING, Retrieved 6/10/2021. Edited.
2. ↑ "Second Law of Thermodynamics: Entropy and Systems", Study.com, Retrieved 6/10/2021. Edited.
3. ↑ "Thermodynamics article", Khan Academy, Retrieved 6/10/2021. Edited.
4. ↑ "Second law of Thermodynamics", NASA, Retrieved 6/10/2021. Edited.
5. ↑ "2nd Law of Thermodynamics", LibreTexts, 16/8/2020, Retrieved 6/10/2021. Edited.