هناك عدة صيغ للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، نذكر اثنتين منها أدناه:

· لا يمكن للحرارة أن تنتقل بشكل طبيعي من جسم درجة حرارته أقل إلى جسم درجة حرارته أعلى(صياغة ر. كلوزيوس)؛

· من المستحيل وجود آلة من النوع الثاني ذات الحركة الدائمة، أي مثل هذه العملية الدورية التي تكون نتيجتها الوحيدة هي تحويل الحرارة إلى شغل بسبب تبريد جسم واحد (صيغة طومسون).

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى عدم المساواة بين شكلين من أشكال نقل الطاقة - الشغل والحرارة. يأخذ هذا القانون في الاعتبار حقيقة أن عملية انتقال طاقة الحركة المنظمة للجسم ككل (الطاقة الميكانيكية) إلى طاقة الحركة غير المنتظمة لجزيئاته (الطاقة الحرارية) لا رجعة فيها. على سبيل المثال، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية أثناء الاحتكاك إلى حرارة دون أي عمليات إضافية. لا يمكن تحويل طاقة حركة الجسيمات المضطربة (الطاقة الداخلية) إلى عمل إلا إذا كانت مصحوبة ببعض العمليات الإضافية. وبالتالي، فإن المحرك الحراري الذي يعمل في دورة مباشرة ينتج العمل فقط بسبب الحرارة الموردة من المدفأة، ولكن في نفس الوقت يتم نقل جزء من الحرارة المستلمة إلى الثلاجة.

الانتروبيا بالإضافة إلى الطاقة الداخلية ش، وهي وظيفة فريدة لمعلمات حالة النظام وتستخدم على نطاق واسع في الديناميكا الحرارية ( الطاقة الحرة، المحتوى الحراريو إنتروبيا).

مفهوم إنتروبياقدم في عام 1865 من قبل رودولف كلوزيوس. هذه الكلمة تأتي من اليونانية. الانتروبياويعني حرفيا دور, تحويل.في الديناميكا الحرارية، يستخدم هذا المصطلح لوصف تحول أنواع مختلفة من الطاقة (الميكانيكية والكهربائية والخفيفة والكيميائية) إلى حرارة، أي إلى حركة عشوائية وفوضوية للجزيئات. ومن المستحيل جمع هذه الطاقة وتحويلها مرة أخرى إلى النوع الذي تم الحصول عليها منه.

لتحديد تدابير تشتت لا رجعة فيهأو تبديدالطاقة وتم تقديم هذا المفهوم. إنتروبيا سهي وظيفة الدولة. إنها تبرز من بين الوظائف الديناميكية الحرارية الأخرى من حيث أنها تمتلكها إحصائية، أي الطبيعة الاحتمالية.

إذا حدثت عملية تنطوي على استلام أو إطلاق الحرارة في نظام ديناميكي حراري، فإن هذا يؤدي إلى تحول في إنتروبيا النظام، والذي يمكن أن يزيد أو ينقص. خلال دورة لا رجعة فيها، تزداد إنتروبيا النظام المعزول

دي إس> 0. (3.4)

وهذا يعني أن تبديد الطاقة لا رجعة فيه يحدث في النظام.

إذا حدثت عملية عكسية في نظام مغلق، فإن الإنتروبيا تظل دون تغيير

دي إس= 0. (3.5)

يتم تحديد التغير في الإنتروبيا لنظام معزول يتم نقل إليه كمية متناهية الصغر من الحرارة من خلال العلاقة:

. (3.6)

هذه العلاقة صالحة لعملية عكسها. بالنسبة لعملية لا رجعة فيها تحدث في نظام مغلق، لدينا:

دي إس> .

في النظام المفتوح، تزداد الإنتروبيا دائمًا. يتم استدعاء وظيفة الحالة التي يتم استدعاء التفاضل فيها انخفاض الحرارة.

وهكذا، في جميع العمليات التي تحدث في نظام مغلق، تزداد الإنتروبيا أثناء العمليات غير القابلة للانعكاس وتبقى دون تغيير أثناء العمليات القابلة للعكس. وبالتالي، يمكن دمج الصيغتين (3.4) و(3.5) وتقديمهما في النموذج

دي إس ³ 0.

هذا إحصائيةصياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إذا قام النظام بانتقال التوازن من الحالة 1 إلى الحالة 2، فإنه وفقا للمعادلة (3.6) , تغيير الانتروبيا

د س 1- 2 = س 2 – س 1 = .

ليست الإنتروبيا بحد ذاتها هي التي لها معنى فيزيائي، بل الفرق بين الإنتروبيا.

دعونا نوجد التغير في الإنتروبيا في عمليات الغاز المثالي. لأن:

; ;

,

أو: . (3.7)

يوضح هذا أن التغير في إنتروبيا الغاز المثالي أثناء الانتقال من الحالة 1 إلى الحالة 2 لا يعتمد على نوع عملية الانتقال 1® 2.

من الصيغة (3.7) يترتب على ذلك متى متحاورعملية ( ت 1 = ت 2):

.

في متساوي اللونالعملية، والتغير في الانتروبيا يساوي

.

منذ لعملية كاظم للحرارة د س= 0، ثم uD س= 0، وبالتالي، تحدث عملية ثابتة الحرارة قابلة للعكس عند إنتروبيا ثابتة. لهذا السبب يسمونه عملية متساوي الانتروبيا.

تتمتع إنتروبيا النظام بخاصية الجمع، مما يعني أن إنتروبيا النظام تساوي مجموع إنتروبيا جميع الأجسام المتضمنة في النظام.

يصبح معنى الإنتروبيا أكثر وضوحًا إذا استخدمنا الفيزياء الإحصائية. في ذلك، يرتبط الإنتروبيا الاحتمال الديناميكي الحراري لحالة النظام. الاحتمال الديناميكي الحراري W لحالة النظام يساوي عدد جميع التوزيعات الدقيقة الممكنة للجسيمات على طول الإحداثيات والسرعات، والتي تحدد حالة كبيرة معينة: Walways³ 1، أي الاحتمال الديناميكي الحراري ليس احتمالًا بالمعنى الرياضي.

أظهر إل. بولتزمان (1872) أن إنتروبيا النظام تساوي ناتج ثابت بولتزمان كبواسطة لوغاريتم الاحتمال الديناميكي الحراري W لحالة معينة

وبالتالي، يمكن إعطاء الإنتروبيا التفسير الإحصائي التالي: الإنتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. من الصيغة (3.8) يتضح: كلما زاد عدد الحالات الميكروية التي تحقق حالة كبيرة معينة، زادت الإنتروبيا. الحالة الأكثر احتمالا للنظام هي حالة التوازن. عدد الحالات الميكروية هو الحد الأقصى، وبالتالي فإن الإنتروبيا هي الحد الأقصى.

وبما أن جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، فيمكن القول بذلك جميع العمليات في نظام مغلق تؤدي إلى زيادة الإنتروبيا - مبدأ زيادة الإنتروبيا.

في التفسير الإحصائي للإنتروبيا، هذا يعني أن العمليات في نظام مغلق تسير في الاتجاه من الحالات الأقل احتمالا إلى الحالات الأكثر احتمالا حتى يصبح احتمال الحالات الحد الأقصى.

دعونا نشرح مع مثال. لنتخيل وعاءً مقسمًا بواسطة حاجز إلى قسمين متساويين أو ب. جزئيا أهناك الغاز، وفي ب- مكنسة. إذا قمت بعمل ثقب في القسم، فسيبدأ الغاز على الفور في التوسع "من تلقاء نفسه" وبعد مرور بعض الوقت سيتم توزيعه بالتساوي على كامل حجم الوعاء، وهذا سوف على الأرجححالة النظام. على الأرجحستكون هناك حالة تملأ فيها معظم جزيئات الغاز فجأة أحد نصفي الوعاء تلقائيًا. يمكنك انتظار هذه الظاهرة بقدر ما تريد، لكن الغاز نفسه لن يتجمع مرة أخرى إلى أجزاء. أ. للقيام بذلك، تحتاج إلى القيام ببعض الأعمال على الغاز: على سبيل المثال، تحريك الجدار الأيمن للجزء مثل المكبس ب. وبالتالي، فإن أي نظام فيزيائي يميل إلى الانتقال من حالة أقل احتمالا إلى حالة أكثر احتمالا. حالة توازن النظام أكثر احتمالا.

باستخدام مفهوم الإنتروبيا وعدم المساواة ر. كلوزيوس، القانون الثاني للديناميكا الحراريةيمكن صياغته كقانون لزيادة إنتروبيا النظام المغلق أثناء العمليات التي لا رجعة فيها:

أي عملية لا رجعة فيها في نظام مغلق تحدث بطريقة تجعل النظام أكثر عرضة لدخول حالة ذات إنتروبيا أعلى، ويصل إلى الحد الأقصى في حالة التوازن. وإلا:

في العمليات التي تحدث في الأنظمة المغلقة، لا تنخفض الإنتروبيا.

يرجى ملاحظة أننا نتحدث فقط عن الأنظمة المغلقة.

لذا فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو القانون الإحصائي. إنه يعبر عن الأنماط الضرورية للحركة الفوضوية لعدد كبير من الجسيمات التي تشكل جزءًا من نظام معزول. ومع ذلك، فإن الأساليب الإحصائية لا تنطبق إلا في حالة وجود عدد كبير من الجزيئات في النظام. بالنسبة لعدد صغير من الجزيئات (5-10) لا ينطبق هذا النهج. في هذه الحالة، فإن احتمال وجود جميع الجسيمات في نصف الحجم لم يعد صفرًا، أو بمعنى آخر، يمكن أن يحدث مثل هذا الحدث.

الموت الحراري للكون. R. Clausius، بالنظر إلى الكون كنظام مغلق، وتطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليه، اختصر كل شيء إلى القول بأن إنتروبيا الكون يجب أن تصل إلى الحد الأقصى. وهذا يعني أن جميع أشكال الحركة يجب أن تتحول إلى حركة حرارية، ونتيجة لذلك ستصبح درجة حرارة جميع الأجسام في الكون متساوية مع مرور الوقت، وسيحدث التوازن الحراري الكامل، وستتوقف جميع العمليات ببساطة: الموت الحراري للكائن الحي. سيحدث الكون.

المعادلة الأساسية للديناميكا الحرارية . تجمع هذه المعادلة بين صيغ القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية:

د س = دو + ص دي في, (3.9)

دعونا نستبدل المعادلة (3.9) التي تعبر عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بالمساواة (3.10):

.

هذا كل شيء المعادلة الأساسية للديناميكا الحرارية.

وفي الختام، نلاحظ مرة أخرى أنه إذا كان القانون الأول للديناميكا الحرارية يحتوي على توازن الطاقة للعملية، فإن القانون الثاني يوضح اتجاهها المحتمل.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

تم إنشاء قانون آخر للديناميكا الحرارية أثناء دراسة التغيرات في إنتروبيا التفاعلات الكيميائية في عام 1906 بواسطة V. Nernst. إنه يسمى نظرية نرنست أو القانون الثالث للديناميكا الحراريةويرتبط بسلوك السعة الحرارية للمواد عند درجات حرارة الصفر المطلق.

نظرية نيرنستتنص على أنه عند الاقتراب من الصفر المطلق، تميل إنتروبيا النظام أيضًا إلى الصفر، بغض النظر عن القيم التي تتخذها جميع المعلمات الأخرى لحالة النظام:

.

منذ الانتروبيا ، ودرجة الحرارة تيميل إلى الصفر، فإن السعة الحرارية للمادة يجب أيضًا أن تميل إلى الصفر، وأسرع من ذلك ت. يتبع عدم إمكانية الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلقمع تسلسل محدود من العمليات الديناميكية الحرارية، أي عدد محدود من العمليات - دورات تشغيل آلة التبريد (الصياغة الثانية للقانون الثالث للديناميكا الحرارية).

غازات حقيقية

معادلة فان دير فالس

يتم وصف التغير في حالة الغازات المتخلخلة عند درجات حرارة عالية وضغوط منخفضة بما فيه الكفاية من خلال قوانين الغاز المثالي. ومع ذلك، مع زيادة الضغط وانخفاض درجة حرارة الغاز الحقيقي، يتم ملاحظة انحرافات كبيرة عن هذه القوانين، وذلك بسبب الاختلافات الكبيرة بين سلوك الغازات الحقيقية والسلوك المنسوب إلى جزيئات الغاز المثالي.

معادلة حالة الغازات الحقيقية يجب أن تأخذ في الاعتبار:

· القيمة النهائية لحجم الجزيئات.

· التجاذب المتبادل للجزيئات مع بعضها البعض.

لهذا، اقترح J. van der Waals أن يُدرج في معادلة الحالة حجم الوعاء وليس حجمه، كما في معادلة Clapeyron-Mendeleev ( الكهروضوئية = ر.ت)، وحجم مول من الغاز غير مشغول بالجزيئات، أي القيمة ( Vم -ب)، أين Vم – الحجم المولي. ولمراعاة قوى الجذب بين الجزيئات، أدخل ج. فان دير فالس تصحيحًا للضغط المتضمن في معادلة الحالة.

من خلال إدخال التصحيحات المتعلقة بمراعاة الحجم الجوهري للجزيئات (قوى التنافر) وقوى الجذب في معادلة كلابيرون-منديليف، نحصل على معادلة حالة المول من الغاز الحقيقيفي النموذج:

.

هذا معادلة فان دير فالس، فيه الثوابت أو بلها معاني مختلفة للغازات المختلفة.

العمل المختبري

القانون الثاني للديناميكا الحرارية(القانون الثاني للديناميكا الحرارية) يثبت وجود الإنتروبيا كدالة لحالة النظام الديناميكي الحراري ويقدم مفهوم درجة الحرارة الديناميكية الحرارية المطلقة، أي أن “القانون الثاني هو قانون الإنتروبيا” وخصائصه. في النظام المعزول، تظل الإنتروبيا إما ثابتة أو متزايدة (في العمليات غير المتوازنة)، وتصل إلى الحد الأقصى عند الوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري ( قانون زيادة الانتروبيا) . تعد الصيغ المختلفة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الموجودة في الأدبيات تعبيرات خاصة عن القانون العام لزيادة الإنتروبيا.

يسمح لنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية ببناء مقياس درجة حرارة عقلاني لا يعتمد على التعسف في اختيار خاصية القياس الحراري وطريقة قياسها.

يشكل المبدأان الأول والثاني معًا أساس الديناميكا الحرارية الظواهرية، والتي يمكن اعتبارها نظامًا متطورًا لعواقب هذين المبدأين. في الوقت نفسه، من بين جميع العمليات التي يسمح بها القانون الأول في النظام الديناميكي الحراري، يسمح لنا القانون الثاني بتحديد العمليات الممكنة فعليًا وتحديد اتجاه العمليات التلقائية، بالإضافة إلى معايير التوازن في الأنظمة الديناميكية الحرارية

يوتيوب الموسوعي

1 / 5

✪ أساسيات الهندسة الحرارية. القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إنتروبيا. نظرية نيرنست.

✪ القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية

✪ الفيزياء. الديناميكا الحرارية: القانون الأول للديناميكا الحرارية. مركز فوكسفورد للتعليم عبر الإنترنت

✪ المحاضرة 5. القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إنتروبيا. التوازن الكيميائي

✪ القانون الأول للديناميكا الحرارية. الطاقة الداخلية

ترجمات

قصة

نشأ القانون الثاني للديناميكا الحرارية كنظرية عمل للمحركات الحرارية، والتي تحدد الظروف التي يحقق فيها تحويل الحرارة إلى عمل أقصى قدر من التأثير. يوضح تحليل القانون الثاني للديناميكا الحرارية أن الحجم الصغير لهذا التأثير - معامل الأداء (الكفاءة) - لا يتحدد من خلال النقص الفني للمحركات الحرارية، ولكن من خلال خصوصية الحرارة كوسيلة لنقل الطاقة، والتي تفرض قيودًا على قيمته. تم إجراء الدراسات النظرية الأولى لتشغيل المحركات الحرارية على يد المهندس الفرنسي سعدي كارنو. وتوصل إلى استنتاج مفاده أن كفاءة المحركات الحرارية لا تعتمد على الدورة الديناميكية الحرارية وطبيعة سائل العمل، ولكنها تتحدد بالكامل بالاعتماد على مصادر خارجية - السخان والثلاجة. تمت كتابة عمل كارنو قبل اكتشاف مبدأ تكافؤ الحرارة والشغل والاعتراف العام بقانون الحفاظ على الطاقة. بنى كارنو استنتاجاته على أساسين متناقضين: نظرية السعرات الحرارية، التي تم تجاهلها سريعًا، والقياس الهيدروليكي. في وقت لاحق إلى حد ما، قام كل من ر.

لإثبات نظرية كارنو وبناء القانون الثاني بشكل أكبر، كان من الضروري تقديم مسلمة جديدة.

الصياغات الأكثر شيوعا لمسلمة القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مسلمة كلوزيوس (1850):

لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيا من الجسم البارد إلى الجسم الأكثر دفئا..

مسلمة طومسون-كلفن (1852) كما صاغها م. بلانك:

من المستحيل بناء آلة تعمل بشكل دوري، كل نشاطها يقتصر على رفع الأثقال وتبريد الخزان الحراري.

يعد الإشارة إلى تكرار تشغيل الجهاز أمرًا ضروريًا، لأنه ممكن عملية غير دائريةوالنتيجة الوحيدة التي ستكون إنتاج العمل بسبب الطاقة الداخلية الواردة من الخزان الحراري. هذه العملية لا تتعارض مع مسلمة طومسون-كلفن، حيث أن العملية غير دائرية، وبالتالي لا تعمل الآلة بشكل دوري. تتحدث فرضية طومسون بشكل أساسي عن استحالة إنشاء آلة ذات حركة أبدية من النوع الثاني، قادرة على القيام بالعمل بشكل مستمر عن طريق أخذ الحرارة من مصدر لا ينضب. بمعنى آخر، من المستحيل صنع محرك حراري تكون نتيجته الوحيدة هي تحويل الحرارة إلى شغل دون تعويض، أي دون انتقال بعض الحرارة إلى أجسام أخرى وبالتالي فقدانها بشكل لا رجعة فيه للحصول على شغل.

من السهل إثبات أن مسلمات كلاوسيوس وطومسون متكافئة. والدليل يأتي من العكس.

لنفترض أن مسلمة كلاوزيوس غير مستوفاة. دعونا نفكر في محرك حراري، تتلقى المادة العاملة فيه كمية من الحرارة من مصدر ساخن أثناء الدورة س 1 (\displaystyle Q_(1))أعطى كمية من الحرارة للمصدر البارد وأدى العمل. نظرًا لأن افتراض كلوزيوس غير صحيح، فمن الممكن بحرارة س 2 (\displaystyle Q_(2))العودة إلى الينابيع الساخنة دون تغيير البيئة. ونتيجة لذلك، لم تتغير حالة المصدر البارد، أعطى المصدر الساخن كمية الحرارة إلى مادة العمل س 2 − س 1 (\displaystyle Q_(2)-Q_(1))وبسبب هذه الحرارة قامت الآلة بالعمل ا = س 1 − س 2 (\displaystyle A=Q_(1)-Q_(2))، وهو ما يتناقض مع مسلمة طومسون.

تمت صياغة مسلمات كلوزيوس وطومسون كلفن على أنها إنكار لإمكانية حدوث أي ظاهرة، أي. كمسلمات الحظر. لا تتوافق مسلمات الحظر على الإطلاق مع المحتوى والمتطلبات الحديثة لإثبات مبدأ وجود الإنتروبيا ولا تفي تمامًا بمهمة إثبات مبدأ زيادة الإنتروبيا، حيث يجب أن تحتوي على إشارة إلى اتجاه معين من الظواهر التي لا رجعة فيها والتي لوحظت في الطبيعة، ولا تنكر إمكانية حدوث مسار معاكس لها.

• مسلمة بلانك (1926):

توليد الحرارة عن طريق الاحتكاك لا رجعة فيه.

تحتوي مسلمة بلانك، إلى جانب إنكار إمكانية التحويل الكامل للحرارة إلى عمل، على بيان حول إمكانية التحويل الكامل للعمل إلى حرارة.

الصياغة الحديثة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الكلاسيكية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو بيان حول وجود وظيفة حالة معينة - الإنتروبيا في أي نظام توازن وعدم انخفاضها أثناء أي عمليات في الأنظمة المعزولة والمعزولة بشكل ثابت.

وبعبارة أخرى، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو مبدأ مشترك للوجود وزيادة الإنتروبيا.

مبدأ وجود الانتروبياهو بيان للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الكلاسيكية حول وجود وظيفة معينة لحالة الأجسام (أنظمة الديناميكا الحرارية) ─ الإنتروبيا س (\displaystyle S)، التفاضل الذي هو التفاضل الكلي د س (\displaystyle dS)، ويتم تعريفها في العمليات العكسية على أنها نسبة الكمية الأولية من الحرارة الموردة من الخارج δ س آر ∗ (\displaystyle \delta Q_(\text(arr))^(*))إلى درجة الحرارة المطلقة للجسم (النظام) ت (\displaystyle T):

D S arr = δ Q arr ∗ T (\displaystyle dS_(\text(arr))=(\frac (\delta Q_(\text(arr))^(*))(T)))

مبدأ زيادة الانتروبياهو بيان للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الكلاسيكية حول الزيادة المستمرة في إنتروبيا الأنظمة المعزولة في جميع عمليات التغيير الحقيقية في حالتها. (في العمليات العكسية لتغيير حالة الأنظمة المعزولة، لا تتغير إنتروبياها).

D S معزول ≥ 0 (\displaystyle dS_(\text(isolated))\geq 0)

التعبير الرياضي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الكلاسيكية:

D S = δ Q ∗ T ≥ 0 (\displaystyle dS=(\frac (\delta Q^(*))(T))\geq 0)

التعريف الإحصائي للإنتروبيا

في الفيزياء الإحصائية، الإنتروبيا (س) (\displaystyle (S))يعتبر النظام الديناميكي الحراري بمثابة وظيفة الاحتمال (ث) (\displaystyle (W))حالتها ("مبدأ بولتزمان").

S = k l n W , (\displaystyle S=klnW,)

أين ك (\displaystyle ك)─ ثابت بولتزمان، ث (\displaystyle W)─ الاحتمالية الديناميكية الحرارية للحالة، والتي يتم تحديدها من خلال عدد الحالات الدقيقة التي تحقق حالة كبيرة معينة.

طرق إثبات القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

طريقة ر. كلوزيوس

في إثباته للقانون الثاني، يفحص كلاوسيوس العمليات الدائرية لاثنين من المحركات الحرارية القابلة للانعكاس والمقترنة ميكانيكيًا باستخدام غاز مثالي كمائع عمل، ويثبت نظرية كارنو (تعبير عن كفاءة دورة كارنو العكسية) للغازات المثالية η = 1 − T 2 T 1 (\displaystyle \eta =1-(\frac (T_(2))(T_(1))))، ثم يذكر نظرية تسمى تكامل كلاوزيوس:

∮ ⁡ δ Q T = 0 (\displaystyle \oint (\frac (\delta Q)(T))=0)

من المساواة إلى الصفر للتكامل الدائري يترتب على ذلك أن تكامله هو التفاضل الكلي لبعض وظائف الحالة ─ س (\displaystyle S)، والمساواة التالية هي تعبير رياضي عن مبدأ وجود الإنتروبيا للعمليات العكسية:

D S = δ Q T (\displaystyle dS=(\frac (\delta Q)(T)))

بعد ذلك، أثبت كلاوزيوس عدم المساواة في كفاءة الآلات القابلة للانعكاس وغير القابلة للانعكاس، وفي النهاية، توصل إلى استنتاج مفاده أن إنتروبيا الأنظمة المعزولة لا تنخفض: تم التعبير عن العديد من الاعتراضات والتعليقات فيما يتعلق ببناء القانون الثاني للديناميكا الحرارية باستخدام كلاوزيوس طريقة. وهنا بعض منها:

1. يبدأ كلاوزيوس في بناء مبدأ وجود الإنتروبيا بالتعبير عن كفاءة دورة كارنو العكسية للغازات المثالية، ثم يوسعها لتشمل جميع الدورات العكسية. وهكذا، يفترض كلاوسيوس ضمنيًا إمكانية وجود غازات مثالية تخضع لمعادلة كلابيرون P v = R T (\displaystyle Pv=RT)وقانون جول u = u (t) (\displaystyle u=u(t)) .

2. إن تبرير نظرية كارنو خاطئ، حيث تم إدخال شرط إضافي في مخطط الإثبات - حيث يتم دائمًا تعيين دور المحرك الحراري لآلة عكسية أكثر تقدمًا. ومع ذلك، إذا قبلنا أن آلة التبريد هي آلة أكثر كمالا، وبدلا من مسلمة كلاوسيوس قبلنا العبارة المعاكسة التي تقول بأن الحرارة لا يمكن أن تنتقل تلقائيا من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة، فسيتم إثبات نظرية كارنو أيضا بنفس الطريقة . وهكذا فإن الاستنتاج يشير إلى أن مبدأ وجود الإنتروبيا لا يعتمد على اتجاه العمليات التلقائية، ولا يمكن أن تكون مسلمة اللارجعة أساسًا لإثبات وجود الإنتروبيا.

3. إن مسلمة كلوزيوس باعتبارها مسلمة حظر ليست بيانًا صريحًا يميز اتجاه حدوث الظواهر التي لا رجعة فيها والتي لوحظت في الطبيعة، على وجه الخصوص، بيان حول الانتقال التلقائي للحرارة من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة، منذ التعبير ─ لا أستطيع العبورلا يعادل التعبير يذهب أكثر.

4. استنتاجات الفيزياء الإحصائية حول الطبيعة الاحتمالية لمبدأ اللارجعة والاكتشاف عام 1951 أنظمة غير عادية (الكمية) مع درجات الحرارة المطلقة السلبيةحيث يكون لانتقال الحرارة التلقائي الاتجاه المعاكس، ويمكن تحويل الحرارة بالكامل إلى شغل، ولا يمكن تحويل الشغل بالكامل (بدون تعويض) إلى حرارة، اهتزت المسلمات الأساسية لكلوزيوس وطومسون كلفن وبلانك، ورفضت بعضها تمامًا وفرضت قيود خطيرة على الآخرين.

طريقة شيلر-كاراتيودوري

في القرن العشرين، بفضل أعمال N. Schiller، C. Carathéodory، T. Afanasyeva - Ehrenfest، A. Gukhman and N.I. Belokon، ظهر اتجاه بديهي جديد في إثبات القانون الثاني للديناميكا الحرارية. اتضح أن مبدأ وجود الإنتروبيا يمكن إثباته بغض النظر عن اتجاه العمليات الحقيقية الملحوظة في الطبيعة، أي. من مبدأ اللارجعة، ولتحديد درجة الحرارة المطلقة والانتروبيا، ليس مطلوبًا، كما أشار هيلمهولتز، النظر في العمليات الدائرية أو افتراض وجود الغازات المثالية. في عام 1909، نشر قسطنطين كاراتيودوري، عالم الرياضيات الألماني البارز، عملاً أثبت فيه مبدأ وجود الإنتروبيا ليس نتيجة لدراسة حالات الأنظمة الديناميكية الحرارية الحقيقية، ولكن على أساس النظر الرياضي للتعبيرات القابلة للانعكاس انتقال الحرارة كمتعددات الحدود التفاضلية (أشكال بفاف). حتى في وقت سابق، في مطلع القرن، جاء N. Schiller إلى إنشاءات مماثلة، لكن أعماله ظلت دون أن يلاحظها أحد حتى لفت T. Afanasyeva-Ehrenfest الانتباه إليها في عام 1928.

مسلمة كاراتيودوري (مسلمة عدم إمكانية الوصول إلى الحرارة الأديبية).

بالقرب من كل حالة توازن للنظام، تكون مثل هذه الحالات ممكنة ولا يمكن تحقيقها باستخدام عملية ثابتة الحرارة قابلة للعكس.

تنص نظرية كاراتيودوري على ذلك إذا كانت كثيرة الحدود التفاضلية Pfaff لها خاصية وجود نقاط أخرى في محيط عشوائي من نقطة معينة لا يمكن الوصول إليها عن طريق الحركات المتعاقبة على طول المسار، فهناك قواسم تكاملية لكثيرة الحدود هذه والمعادلة ∑ X i d x i = 0 (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i)=0).

كان إم بلانك ينتقد طريقة كاراتيودوري. إن مسلمة كاراتيودوري، في رأيه، ليست من البديهيات المرئية والواضحة: "إن العبارة الواردة فيها لا تنطبق بشكل عام على العمليات الطبيعية ... . لم يقم أحد على الإطلاق بإجراء تجارب بهدف تحقيق جميع الحالات المتجاورة لأي حالة معينة بطريقة ثابتة الحرارة. يقارن بلانك نظام كاراتيودوري مع نظامه الخاص القائم على الافتراض القائل: "إن تكوين الحرارة من خلال الاحتكاك لا رجعة فيه"، والذي، في رأيه، يستنفد محتوى القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وفي الوقت نفسه، حظيت طريقة كاراتيودوري بإشادة كبيرة في أعمال ت. أفاناسييفا-إيهرنفيست "اللارجعة، والتحيز، والقانون الثاني للديناميكا الحرارية" (1928). توصلت أفاناسييفا-إهرنفيست في مقالتها الرائعة إلى عدد من الاستنتاجات المهمة، على وجه الخصوص:

1. المحتوى الرئيسي للقانون الثاني هو الكمية الأولية للحرارة δ س (\displaystyle \delta Q)، والتي يتبادلها النظام في عملية شبه، يمكن تمثيلها في النموذج تي دي إس (\displaystyle TdS)، أين T = و (ر) (\displaystyle T=f(t))- دالة عالمية لدرجة الحرارة، تسمى درجة الحرارة المطلقة، و (س) (\displaystyle (S))─ وظيفة معلمات حالة النظام، تسمى الإنتروبيا. من الواضح أن التعبير δ Q = T d S (\displaystyle \delta Q=TdS)منطقي مبدأ وجود الانتروبيا.

2. الفرق الأساسي بين العمليات غير المتوازنة وعمليات التوازن هو أنه في ظل ظروف عدم تجانس مجال درجة الحرارة، فإن انتقال النظام إلى حالة ذات إنتروبيا مختلفة ممكن دون التبادل الحراري مع البيئة. (أطلق على هذه العملية فيما بعد اسم "التبادل الحراري الداخلي" أو التبادل الحراري لسائل العمل في أعمال N.I. Belokon.). إن نتيجة عملية عدم التوازن في نظام معزول هي أحادية الجانب.

3. يمكن تصور حدوث تغير من جانب واحد في الإنتروبيا بشكل متساوٍ مع زيادة ثابتة أو انخفاض ثابت. المتطلبات الفيزيائية، مثل عدم قابلية الوصول الأدياباتي وعدم رجعة العمليات الحقيقية، لا تعبر عن أي متطلبات تتعلق بالاتجاه التفضيلي لتدفق العمليات التلقائية.

4. للتوفيق بين الاستنتاجات التي تم الحصول عليها والبيانات التجريبية للعمليات الحقيقية، من الضروري قبول مسلمة، يتم تحديد نطاقها من خلال حدود قابلية تطبيق هذه البيانات. هذه الفرضية هي المبدأ زيادة الانتروبيا.

يعتقد A. Gukhman، الذي يقيم عمل كاراتيودوري، أنه "يتميز بالدقة المنطقية الرسمية وعدم العيوب في المصطلحات الرياضية... وفي الوقت نفسه، في السعي لتحقيق أكبر قدر من العمومية، أعطى كاراتيودوري نظامه شكلاً مجردًا ومعقدًا وتبين أنه لا يمكن الوصول إليه فعليًا بالنسبة لأغلبية الفيزيائيين في ذلك الوقت." فيما يتعلق بمسلمة عدم إمكانية الوصول الأدياباتي، يشير جوكمان إلى أنه كمبدأ فيزيائي، لا يمكن أن يكون أساسًا لنظرية ذات أهمية عالمية، لأنه لا يمتلك خاصية الدليل الذاتي. "كل شيء واضح للغاية فيما يتعلق بنظام... بسيط... لكن هذا الوضوح مفقود تمامًا في الحالة العامة لنظام غير متجانس، معقد بسبب التحولات الكيميائية ومعرض للمجالات الخارجية." ويتحدث أيضًا عن مدى حق أفاناسييفا-إيهرنفيست في الإصرار على ضرورة الفصل التام لمشكلة وجود الإنتروبيا عن كل ما يرتبط بفكرة عدم رجعة العمليات الحقيقية. فيما يتعلق ببناء أسس الديناميكا الحرارية، يعتقد جوكمان أنه “لا توجد مشكلة منفصلة مستقلة لوجود الإنتروبيا. ويتلخص السؤال في أن يمتد إلى حالة التفاعل الحراري مجموعة من المفاهيم التي تم تطويرها على أساس تجربة دراسة جميع تفاعلات الطاقة الأخرى، وبلغت ذروتها في إنشاء معادلة موحدة لمقدار التأثير الأولي د س = ف د س (\displaystyle dQ=Pdx)يتم اقتراح هذا الاستقراء من خلال بنية الأفكار نفسها. مما لا شك فيه أن هناك أسبابًا كافية لقبولها كفرضية معقولة جدًا وبالتالي افترض وجود الانتروبيا.

إن آي. قدم بيلوكون في دراسته "الديناميكا الحرارية" تحليلاً مفصلاً للمحاولات العديدة لإثبات القانون الثاني للديناميكا الحرارية كمبدأ موحد لوجود وزيادة الإنتروبيا يعتمد فقط على مسلمة اللارجعة. لقد أظهر أن محاولات مثل هذا التبرير لا تتوافق مع المستوى الحديث لتطور الديناميكا الحرارية ولا يمكن تبريرها، أولاً، لأن الاستنتاج حول وجود الإنتروبيا ودرجة الحرارة المطلقة لا علاقة له بعدم رجعة الظواهر الطبيعية (هذه الوظائف موجودة بغض النظر عن زيادة أو نقصان إنتروبيا الأنظمة المعزولة)، ثانيًا، الإشارة إلى اتجاه الظواهر غير القابلة للانعكاس المرصودة تقلل من مستوى عمومية القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وثالثًا، استخدام مسلمة طومسون بلانك حول استحالة حدوثها تمامًا إن تحويل الحرارة إلى شغل يتناقض مع نتائج دراسات الأنظمة ذات درجة الحرارة المطلقة السالبة، والتي يمكن فيها تحقيق التحويل الكامل للحرارة إلى شغل، لكن التحويل الكامل للشغل إلى حرارة أمر مستحيل. بعد T. Afanasyeva-Ehrenfest N.I. يرى بيلوكون أن الاختلاف في المحتوى ومستوى العمومية ونطاق تطبيق مبادئ وجود الإنتروبيا وزيادتها واضح تمامًا:

1. من مبدأ وجود الإنتروبيا عدد من أهم التفاضلات المعادلاتالديناميكا الحرارية، تستخدم على نطاق واسع في دراسة العمليات الديناميكية الحرارية والخصائص الفيزيائية للمادة، ولا يمكن المبالغة في تقدير أهميتها العلمية.

2. مبدأ زيادة إنتروبيا الأنظمة المعزولة هو بيان حول التدفق الذي لا رجعة فيه للظواهر التي لوحظت في الطبيعة. ويستخدم هذا المبدأ في الحكم على الاتجاه الأرجح لتدفق العمليات الفيزيائية والتفاعلات الكيميائية، وكل شيء يتبعه. عدم المساواةالديناميكا الحرارية.

فيما يتعلق بإثبات مبدأ وجود الإنتروبيا باستخدام طريقة شيلر - كاراتيودوري، يشير بيلوكون إلى أنه عند بناء مبدأ الوجود باستخدام هذه الطريقة، من الضروري للغاية استخدام نظرية كاراتيودوري حول شروط وجود تكامل المقسومات التفاضلية كثيرات الحدود δ Q = ∑ X i d x i = τ d Z , (\displaystyle \delta Q=\sum X_(i)dx_(i)=\tau dZ,)ومع ذلك، فإن الحاجة إلى استخدام هذه النظرية "يجب اعتبارها مقيدة للغاية، نظرًا لأن النظرية العامة لكثيرات الحدود التفاضلية من النوع قيد النظر (أشكال بفافيان) تمثل بعض الصعوبات ولا يتم تقديمها إلا في الأعمال الخاصة في الرياضيات العليا." في معظم مقررات الديناميكا الحرارية، يتم تقديم نظرية كاراتيودوري بدون دليل، أو يتم تقديم الدليل في شكل مبسط وغير صارم. .

تحليل بناء مبدأ وجود إنتروبيا لأنظمة التوازن وفقًا لمخطط C. Carathéodory، N.I. يلفت Belokon الانتباه إلى استخدام افتراض لا أساس له على الإطلاق حول إمكانية تشغيل درجة الحرارة في وقت واحد ر (\displaystyle t)و ─ يعمل في المتغيرات المستقلة لحالة نظام التوازن ويصل إلى الاستنتاج الذي أن مسلمة كاراتيودوري تعادل مجموعة الشروط العامة لوجود تكامل المقسومات على كثيرات الحدود التفاضلية ∑ X i d x i (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i))، لكن غير كافٍلتأسيس الوجودمقسوم التكامل الأولي τ (t) = T (\displaystyle \tau (t)=T)، أي: يبرر مبدأ وجود درجة الحرارة المطلقة والانتروبيا . ويضيف أيضًا: "من الواضح تمامًا أنه عند بناء مبدأ وجود درجة الحرارة المطلقة والإنتروبيا على أساس نظرية كاراتيودوري، يجب استخدام مسلمة من شأنها أن تكون معادلة لنظرية عدم توافق الأديباتيك والأيسوثرم. "في هذه الإنشاءات المصححة، تصبح مسلمة كاراتيودوري غير ضرورية على الإطلاق، لأن هذه المسلمة هي نتيجة خاصة للنظرية الضرورية حول عدم توافق الأدياباتيك والأيسوثرم."

طريقة ن. بيلوكونيا

في التبرير حسب طريقة ن. ينقسم قانون بيلوكون الثاني للديناميكا الحرارية إلى مبدأين (قوانين):

1. مبدأ وجود درجة الحرارة المطلقة والانتروبيا ( القانون الثاني للثرموستاتيا).

2. مبدأ زيادة الانتروبيا( القانون الثاني للديناميكا الحرارية).

تم تبرير كل من هذه المبادئ على أساس مسلمات مستقلة.

• مسلمة القانون الثاني للثرموستاتية (Belokonya).

درجة الحرارة هي وظيفة الحالة الوحيدة التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة التلقائي، أي. بين الأجسام وعناصر الأجسام التي ليست في حالة توازن حراري، فإن النقل التلقائي المتزامن (بالتوازن) للحرارة في اتجاهين متعاكسين أمر مستحيل - من الأجسام الأكثر تسخينًا إلى الأجسام الأقل تسخينًا والظهر. .

مسلمة القانون الثاني للثرموستاتيا هي تعبير خاص عن السببية وقوانين الطبيعة التي لا لبس فيها . على سبيل المثال، إذا كان هناك سبب لانتقال الحرارة في نظام معين من جسم أكثر تسخينًا إلى جسم أقل تسخينًا، فإن هذا السبب نفسه سيمنع انتقال الحرارة في الاتجاه المعاكس والعكس صحيح. هذه الفرضية متناظرة تمامًا فيما يتعلق باتجاه الظواهر اللارجعية، لأنها لا تحتوي على أي مؤشرات حول الاتجاه الملحوظ للظواهر اللارجعية في عالمنا - عالم درجات الحرارة المطلقة الإيجابية.

النتائج الطبيعية للقانون الثاني للثرموستاتات:

النتيجة الطبيعية أنا. مستحيل متزامن(ضمن نفس نظام الزمكان لدرجات الحرارة المطلقة الإيجابية أو السلبية) تنفيذ التحويلات الكاملة للحرارة إلى شغل والشغل إلى حرارة.

النتيجة الطبيعية الثانية. (نظرية عدم التوافق بين الأديباتيك والأيسوثرم). على الأيسوثرم لنظام ديناميكي حراري متوازن يتقاطع مع أديابات مختلفة من نفس النظام، لا يمكن أن يكون نقل الحرارة مساويًا للصفر.

النتيجة الطبيعية الثالثة (نظرية التوازن الحراري للأجسام). في العمليات الدائرية المتوازنة لجسمين مترافقين حراريا (ر أنا = ر أنا) (\displaystyle (t_(I)=t_(I)I))، وتشكيل نظام معزول بشكل ثابت، يعود كلا الجسمين إلى الحالة الأديباتية الأصلية وإلى الحالة الأصلية في وقت واحد.

بناءً على عواقب فرضية القانون الثاني للثرموستاتات N.I. اقترح بيلوكون بناء مبدأ وجود درجة الحرارة المطلقة والانتروبيا للعمليات العكسية وغير القابلة للانعكاس δ Q = δ Q ∗ + Q ∗ ∗ T d S (\displaystyle \delta Q=\delta Q^(*)+Q^(**)TdS)

• مسلمة القانون الثاني للديناميكا الحرارية (مبدأ زيادة الإنتروبيا).

تم اقتراح مسلمة القانون الثاني للديناميكا الحرارية في شكل عبارة تحدد اتجاه إحدى الظواهر المميزة في عالمنا ذي درجات الحرارة المطلقة الإيجابية:

يمكن تحويل الشغل بشكل مباشر وكامل والحرارة عن طريق الاحتكاك أو التسخين الكهربائي.

النتيجة الطبيعية أنا. لا يمكن تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل(مبدأ نوع Perpetuum mobile II المستبعد):

η < 1 {\displaystyle \eta <1}

.

النتيجة الطبيعية الثانية. إن كفاءة أو قدرة التبريد لأي محرك حراري لا رجعة فيه (المحرك أو الثلاجة، على التوالي) عند درجات حرارة معينة من المصادر الخارجية تكون دائمًا أقل من كفاءة أو قدرة التبريد للآلات العكسية التي تعمل بين نفس المصادر.

يرتبط انخفاض كفاءة وقدرة التبريد للمحركات الحرارية الحقيقية بانتهاك تدفق التوازن للعمليات (انتقال الحرارة غير المتوازن بسبب الاختلاف في درجات حرارة مصادر الحرارة وسائل العمل) والتحويل الذي لا رجعة فيه للعمل إلى الحرارة (فقد الاحتكاك والمقاومة الداخلية).

من هذه النتيجة الطبيعية والنتيجة الطبيعية للقانون الثاني للثرموستاتيا يترتب مباشرة على استحالة تحقيق Perpetuum mobile من النوعين I و II. بناءً على مسلمة القانون الثاني للديناميكا الحرارية، يمكن تبرير التعبير الرياضي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية الكلاسيكية كمبدأ مشترك لوجود الإنتروبيا وزيادتها:

D S ≥ δ Q ∗ T (\displaystyle dS\geq (\frac (\delta Q^(*))(T)))

تتميز العمليات الطبيعية بالاتجاهية واللارجعية، لكن معظم القوانين الموصوفة في هذا الكتاب لا تعكس ذلك، على الأقل ليس بشكل صريح. كسر البيض وتحضير البيض المخفوق ليس بالأمر الصعب، لكن إعادة صنع البيض النيئ من البيض المخفوق الجاهز أمر مستحيل. رائحة زجاجة العطر المفتوحة تملأ الغرفة، لكن لا يمكنك إعادتها إلى الزجاجة. والسبب وراء عدم رجعة العمليات التي تحدث في الكون يكمن في القانون الثاني للديناميكا الحرارية، والذي، على الرغم من بساطته الواضحة، يعد أحد أصعب قوانين الفيزياء الكلاسيكية والتي غالبًا ما يُساء فهمها.

بادئ ذي بدء، يحتوي هذا القانون على ثلاث صيغ متساوية على الأقل، مقترحة في سنوات مختلفة من قبل فيزيائيين من أجيال مختلفة. قد يبدو أنه لا يوجد شيء مشترك بينهما، لكنهم جميعا متكافئون منطقيا مع بعضهم البعض. ومن أي صياغة للقانون الثاني، يتم اشتقاق القانونين الآخرين رياضيا.

لنبدأ بالصيغة الأولى التي تعود إلى الفيزيائي الألماني رودولف كلوسيوس ( سم.معادلة كلابيرون-كلوزيوس). فيما يلي توضيح بسيط وواضح لهذه الصيغة: أخرج مكعبًا من الثلج من الثلاجة وضعه في الحوض. وبعد مرور بعض الوقت، سوف يذوب مكعب الثلج لأن الحرارة تنتقل من الجسم الأكثر دفئًا (الهواء) إلى الجسم البارد (مكعب الثلج). من وجهة نظر قانون الحفاظ على الطاقة، لا يوجد سبب لانتقال الطاقة الحرارية في هذا الاتجاه بالضبط: حتى لو أصبح الجليد أكثر برودة والهواء أكثر دفئًا، فسيظل قانون الحفاظ على الطاقة متحققًا. حقيقة أن هذا لا يحدث هو بالضبط دليل على الاتجاه المذكور بالفعل للعمليات الفيزيائية.

يمكننا أن نفسر بسهولة سبب تفاعل الجليد والهواء بهذه الطريقة من خلال النظر في هذا التفاعل على المستوى الجزيئي. نعلم من النظرية الحركية الجزيئية أن درجة الحرارة تعكس سرعة حركة جزيئات الجسم، فكلما تحركت بشكل أسرع، ارتفعت درجة حرارة الجسم. وهذا يعني أن جزيئات الهواء تتحرك بشكل أسرع من جزيئات الماء الموجودة في مكعب الثلج. عندما يصطدم جزيء هواء بجزيء ماء على سطح الجليد، كما تخبرنا التجربة، فإن الجزيئات السريعة، في المتوسط، تتباطأ، وتتسارع الجزيئات البطيئة. وهكذا تبدأ جزيئات الماء في التحرك بشكل أسرع فأسرع، أو، وهو الأمر نفسه، ترتفع درجة حرارة الجليد. وهذا ما نعنيه عندما نقول أن الحرارة تنتقل من الهواء إلى الجليد. وفي إطار هذا النموذج، فإن الصياغة الأولى للقانون الثاني للديناميكا الحرارية تتبع منطقيا سلوك الجزيئات.

عندما يتحرك جسم ما لمسافة ما تحت تأثير قوة معينة، يتم الشغل، وتعبر أشكال الطاقة المختلفة بدقة عن قدرة النظام على إنتاج شغل معين. وبما أن الحرارة، التي تمثل الطاقة الحركية للجزيئات، هي شكل من أشكال الطاقة، فمن الممكن أيضًا تحويلها إلى عمل. ولكن مرة أخرى نحن نتعامل مع عملية موجهة. يمكنك تحويل العمل إلى حرارة بكفاءة 100% - تفعل ذلك في كل مرة تضغط فيها على دواسة الفرامل في سيارتك: كل الطاقة الحركية لسيارتك بالإضافة إلى الطاقة التي أنفقتها على الدواسة من خلال عمل قدمك والفرامل الهيدروليكية يتحول النظام بالكامل إلى حرارة يتم إطلاقها أثناء احتكاك الوسادات الموجودة على أقراص الفرامل. تنص الصيغة الثانية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن العملية العكسية مستحيلة. بغض النظر عن مقدار محاولتك تحويل كل الطاقة الحرارية إلى شغل، فإن فقدان الحرارة إلى البيئة أمر لا مفر منه.

ليس من الصعب توضيح الصيغة الثانية في العمل. تخيل أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي في سيارتك. يتم حقن خليط وقود عالي الأوكتان فيه، والذي يتم ضغطه بواسطة المكبس إلى ضغط مرتفع، وبعد ذلك يشتعل في فجوة صغيرة بين رأس الأسطوانة ومكبس حر الحركة مثبت بإحكام على جدران الأسطوانة. أثناء الاحتراق المتفجر للخليط، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة على شكل منتجات احتراق ساخنة ومتوسعة، والتي يدفع ضغطها المكبس إلى الأسفل. في عالم مثالي، يمكننا تحقيق كفاءة بنسبة 100% في استخدام الطاقة الحرارية المنبعثة، وتحويلها بالكامل إلى عمل ميكانيكي للمكبس.

في العالم الحقيقي، لن يتمكن أحد من تجميع مثل هذا المحرك المثالي لسببين. أولا، يتم تسخين جدران الأسطوانة حتما نتيجة لاحتراق خليط العمل، ويتم فقد جزء من الحرارة في وضع الخمول ويتم تفريغها من خلال نظام التبريد في البيئة. ثانيا، جزء من العمل يذهب حتما إلى التغلب على قوة الاحتكاك، ونتيجة لذلك، يتم تسخين جدران الأسطوانة مرة أخرى - فقدان آخر للحرارة (حتى مع أفضل زيت المحرك). ثالثا، تحتاج الاسطوانة إلى العودة إلى نقطة البداية للضغط، وهذا أيضا يضيع العمل للتغلب على الاحتكاك مع إطلاق الحرارة. ونتيجة لذلك أصبح لدينا ما لدينا وهو: أن المحركات الحرارية الأكثر تطوراً تعمل بكفاءة لا تزيد عن 50%.

هذا التفسير للقانون الثاني للديناميكا الحرارية مضمن في مبدأ كارنو، الذي سمي على اسم المهندس العسكري الفرنسي سعدي كارنو. وقد تمت صياغته مبكراً عن غيره، وكان له تأثير كبير في تطور التكنولوجيا الهندسية لأجيال عديدة قادمة، على الرغم من أنه ذو طبيعة تطبيقية. وهي تكتسب أهمية هائلة من وجهة نظر الطاقة الحديثة، وهي القطاع الأكثر أهمية في أي اقتصاد وطني. اليوم، في مواجهة نقص موارد الوقود، ومع ذلك، فإن البشرية مجبرة على تحمل حقيقة أن كفاءة محطات الطاقة الحرارية، على سبيل المثال، التي تعمل بالفحم أو زيت الوقود لا تتجاوز 30-35٪ - أي، ويتم حرق ثلثي الوقود عبثا، أو بالأحرى يتم استهلاكه لتدفئة الغلاف الجوي - وهذا في مواجهة خطر الانحباس الحراري العالمي. ولهذا السبب يمكن التعرف بسهولة على محطات الطاقة الحرارية الحديثة من خلال أبراج التبريد الضخمة الخاصة بها - حيث يتم تبريد الماء الذي يبرد توربينات المولدات الكهربائية، ويتم إطلاق الطاقة الحرارية الزائدة في البيئة. وهذه الكفاءة المنخفضة في استخدام الموارد ليست خطأ، ولكن مصيبة مهندسي التصميم الحديث: إنهم يقتربون بالفعل من الحد الأقصى الذي تسمح به دورة كارنو. أولئك الذين يزعمون أنهم وجدوا حلاً للحد بشكل كبير من فقدان الطاقة الحرارية (على سبيل المثال، تصميم آلة الحركة الدائمة) يزعمون أنهم تفوقوا على القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وربما يزعمون أيضاً أنهم يعرفون كيف يتأكدون من أن مكعب الثلج الموجود في الحوض لا يذوب في درجة حرارة الغرفة، بل على العكس من ذلك، يبرد بدرجة أكبر، وبالتالي يسخن الهواء.

الصيغة الثالثة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، والتي تنسب عادة إلى الفيزيائي النمساوي لودفيج بولتزمان ( سم.ربما يكون ثابت بولتزمان هو الأكثر شهرة. إنتروبياهو مؤشر على اضطراب النظام. كلما ارتفعت الإنتروبيا، زادت فوضوية حركة جزيئات المواد التي يتكون منها النظام. تمكن بولتزمان من تطوير صيغة لوصف رياضي مباشر لدرجة ترتيب النظام. دعونا نرى كيف يعمل باستخدام الماء كمثال. في الحالة السائلة، يكون الماء عبارة عن بنية مضطربة إلى حد ما، حيث تتحرك الجزيئات بحرية بالنسبة لبعضها البعض، ويمكن أن يكون اتجاهها المكاني تعسفيًا. شيء آخر هو الجليد - حيث يتم ترتيب جزيئات الماء وإدراجها في الشبكة البلورية. تنص صياغة قانون بولتزمان الثاني للديناميكا الحرارية، نسبيًا، على أن الجليد، بعد ذوبانه وتحوله إلى ماء (عملية مصحوبة بانخفاض في درجة النظام وزيادة في الإنتروبيا)، لن يولد من جديد من الماء أبدًا. مرة أخرى نرى مثالاً لظاهرة فيزيائية طبيعية لا رجعة فيها.

من المهم أن نفهم هنا أننا لا نتحدث عن حقيقة أنه في هذه الصيغة يعلن القانون الثاني للديناميكا الحرارية أن الإنتروبيا لا يمكن أن تنخفض في أي مكان ولا تنخفض أبدًا. في نهاية المطاف، يمكن إعادة الثلج الذائب إلى الثلاجة وإعادة تجميده. النقطة المهمة هي أن الإنتروبيا لا يمكن أن تنخفض أنظمة مغلقة- أي في الأنظمة التي لا تتلقى إمدادات طاقة خارجية. الثلاجة العاملة ليست نظامًا مغلقًا ومعزولًا، لأنها متصلة بشبكة الطاقة وتستقبل الطاقة من الخارج - في النهاية، من محطات الطاقة التي تنتجها. في هذه الحالة، سيكون النظام المغلق عبارة عن ثلاجة، بالإضافة إلى الأسلاك، بالإضافة إلى محطة محولات محلية، بالإضافة إلى شبكة إمدادات الطاقة الموحدة، بالإضافة إلى محطات توليد الطاقة. وبما أن الزيادة في الإنتروبيا الناتجة عن التبخر العشوائي من أبراج تبريد محطات الطاقة أكبر بعدة مرات من انخفاض الإنتروبيا بسبب تبلور الجليد في ثلاجتك، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا ينتهك بأي حال من الأحوال.

وأعتقد أن هذا يؤدي إلى صياغة أخرى للمبدأ الثاني: الثلاجة لا تعمل إلا إذا كانت موصولة بالكهرباء.

§6 الإنتروبيا

عادة أي عملية ينتقل فيها نظام من حالة إلى أخرى تتم بشكل يستحيل معه تنفيذ هذه العملية في الاتجاه المعاكس بحيث يمر النظام بنفس الحالات الوسيطة دون حدوث أي تغيرات في الأجسام المحيطة . ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه أثناء العملية يتم تبديد جزء من الطاقة، على سبيل المثال، بسبب الاحتكاك والإشعاع وما إلى ذلك. تقريبا جميع العمليات في الطبيعة لا رجعة فيها. في أي عملية، يتم فقدان بعض الطاقة. لتوصيف تبديد الطاقة، تم تقديم مفهوم الإنتروبيا. ( تتميز قيمة الانتروبياالحالة الحرارية للنظام وتحدد احتمالية تنفيذ حالة معينة من الجسم. كلما زادت احتمالية حدوث حالة معينة، زادت الإنتروبيا.) جميع العمليات الطبيعية مصحوبة بزيادة في الإنتروبيا. تظل الإنتروبيا ثابتة فقط في حالة حدوث عملية عكسية مثالية في نظام مغلق، أي في نظام لا يوجد فيه تبادل للطاقة مع أجسام خارج هذا النظام.

الإنتروبيا ومعناها الديناميكي الحراري:

إنتروبيا- هذه دالة لحالة النظام، حيث يكون التغير المتناهي الصغر في عملية عكسية مساويًا لنسبة الكمية المتناهية الصغر من الحرارة المدخلة في هذه العملية إلى درجة الحرارة التي تم إدخالها فيها.

في عملية عكسية نهائية، يمكن حساب التغير في الإنتروبيا باستخدام الصيغة:

حيث يتم أخذ التكامل من الحالة الأولية 1 للنظام إلى الحالة النهائية 2.

وبما أن الإنتروبيا هي دالة للحالة، فهي خاصية التكاملهو استقلاله عن شكل الكفاف (المسار) الذي يتم حسابه عليه، لذلك يتم تحديد التكامل فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام؛

• في أي عملية عكسية، يكون التغير في الإنتروبيا 0

(1)

• وقد ثبت ذلك في الديناميكا الحراريةسنظام يمر بدورة لا رجعة فيها الزيادات

Δ س> 0 (2)

التعبيران (1) و (2) يتعلقان فقط بالأنظمة المغلقة، إذا كان النظام يتبادل الحرارة مع البيئة الخارجية، فإنه يكون كذلكسيمكن أن تتصرف بأي شكل من الأشكال.

يمكن تمثيل العلاقات (1) و (2) على أنها متباينة كلاوسيوس

ΔS ≥ 0

أولئك. يمكن أن تزيد إنتروبيا النظام المغلق (في حالة العمليات غير القابلة للانعكاس) أو تظل ثابتة (في حالة العمليات القابلة للعكس).

إذا قام النظام بانتقال التوازن من الحالة 1 إلى الحالة 2، فإن الإنتروبيا تتغير

أين دوو أهو مكتوب لعملية محددة. وفقا لهذه الصيغة Δسيتم تحديده حتى ثابت مضاف. ليست الإنتروبيا بحد ذاتها هي التي لها معنى فيزيائي، بل الفرق في الإنتروبيا. دعونا نوجد التغير في الإنتروبيا في عمليات الغاز المثالي.

أولئك. تغييرات الانتروبياس Δ س 1→2 لا يعتمد تكوين الغاز المثالي أثناء انتقاله من الحالة 1 إلى الحالة 2 على نوع العملية.

لأن لعملية أداباتيكية δس = 0، ثم Δ س= 0 => س= ثابت أي أن عملية عكسية ثابتة الحرارة تحدث عند إنتروبيا ثابتة. ولهذا السبب يطلق عليه متساوي الانتروبيا.

في عملية متساوية الحرارة (ت= ثابت؛ ت 1 = ت 2 : )

في عملية متساوية (V= ثابت؛ V 1 = V 2 ; )

الإنتروبيا لها خاصية الجمع: إنتروبيا النظام تساوي مجموع إنتروبيا الأجسام الموجودة في النظام.س = س 1 + س 2 + س 3 + ... الفرق النوعي بين الحركة الحرارية للجزيئات وأشكال الحركة الأخرى هو عشوائيتها واضطرابها. ولذلك، لتوصيف الحركة الحرارية، فمن الضروري إدخال مقياس كمي لدرجة الاضطراب الجزيئي. إذا نظرنا إلى أي حالة عيانية معينة لجسم ما مع قيم متوسطة معينة للمعلمات، فهو شيء آخر غير التغيير المستمر في الخلايا المجهرية القريبة التي تختلف عن بعضها البعض في توزيع الجزيئات في أجزاء مختلفة من الحجم والتوزيع الموزع. الطاقة بين الجزيئات. عدد هذه الحالات الميكروية المتغيرة باستمرار يحدد درجة اضطراب الحالة العيانية للنظام بأكمله،ثيسمى الاحتمال الديناميكي الحراري لحالة ميكروية معينة. الاحتمال الديناميكي الحراريثحالة النظام هي عدد الطرق التي يمكن من خلالها تحقيق حالة معينة من النظام العياني، أو عدد الولايات المجهرية التي تنفذ حالة ميكروسكوبية معينة (ث≥ 1، و الاحتمال الرياضي ≤ 1 ).

وكمقياس لمفاجأة حدث ما، تم الاتفاق على أخذ لوغاريتم احتماله، مأخوذًا بعلامة الطرح: مفاجأة الحالة تساوي =-

وفقا لبولتزمان، الإنتروبياسترتبط الأنظمة والاحتمالات الديناميكية الحرارية ببعضها البعض على النحو التالي:

أين - ثابت بولتزمان (). وبالتالي، يتم تحديد الإنتروبيا من خلال لوغاريتم عدد الحالات التي يمكن من خلالها تحقيق حالة ميكروية معينة. يمكن اعتبار الإنتروبيا مقياسًا لاحتمالية حالة نظام t/d. تسمح لنا صيغة بولتزمان بإعطاء الإنتروبيا التفسير الإحصائي التالي. الانتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. في الواقع، كلما زاد عدد الدول الميكروية التي تحقق حالة ميكروية معينة، زادت الإنتروبيا. في حالة توازن النظام - الحالة الأكثر احتمالية للنظام - يكون عدد الحالات الدقيقة هو الحد الأقصى، والإنتروبيا هي أيضًا الحد الأقصى.

لأن العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، فمن الممكن القول بأن جميع العمليات في نظام مغلق تؤدي إلى زيادة في الإنتروبيا - مبدأ زيادة الإنتروبيا. في التفسير الإحصائي للإنتروبيا، يعني هذا أن العمليات في نظام مغلق تسير في اتجاه زيادة عدد الحالات الميكروية، وبعبارة أخرى، من الحالات الأقل احتمالا إلى الحالات الأكثر احتمالا، حتى يصبح احتمال الحالة الحد الأقصى.

§7 القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية، الذي يعبر عن قانون الحفاظ على الطاقة وتحول الطاقة، لا يسمح لنا بتحديد اتجاه تدفق العمليات t/d. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمرء أن يتخيل العديد من العمليات التي لا تتعارضأناإلى البداية t/d، حيث يتم حفظ الطاقة، لكنها لا تتحقق في الطبيعة. الصيغ المحتملة للبداية الثانية t/d:

1) قانون زيادة إنتروبيا النظام المغلق خلال عمليات لا رجعة فيها: أي عملية لا رجعة فيها في نظام مغلق تحدث بطريقة تزيد إنتروبيا النظام Δس≥ 0 (عملية لا رجعة فيها) 2) Δس≥ 0 (س= 0 للعكس و Δس≥ 0 لعملية لا رجعة فيها)

في العمليات التي تحدث في نظام مغلق، لا تنخفض الإنتروبيا.

2) من صيغة بولتزمانس =، وبالتالي، فإن الزيادة في الإنتروبيا تعني انتقال النظام من حالة أقل احتمالا إلى حالة أكثر احتمالا.

3) حسب كلفن: العملية الدائرية غير ممكنة، ونتيجتها الوحيدة هي تحويل الحرارة الواردة من المدفأة إلى شغل معادل لها.

4) عند كلوسيوس: العملية الدائرية غير ممكنة، ونتيجتها الوحيدة هي انتقال الحرارة من جسم أقل حرارة إلى جسم أكثر حرارة.

لوصف أنظمة t/d عند 0 K، يتم استخدام نظرية نيرنست بلانك (القانون الثالث لـ t/d): تميل إنتروبيا جميع الأجسام في حالة التوازن إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من 0 K

من النظرية نيرنست بلانك يتبع ذلكجع = جت = 0 عند 0 ل

§8 آلات الحرارة والتبريد.

دورة كارنو وكفاءتها

ومن صياغة القانون الثاني لـ t/d وفقًا لكلفن، يترتب على ذلك أن آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني مستحيلة. (آلة الحركة الدائمة هي محرك يعمل بشكل دوري ويؤدي العمل عن طريق تبريد مصدر حراري واحد.)

ترموستاتهو نظام t/d يمكنه تبادل الحرارة مع الأجسام دون تغيير درجة الحرارة.

مبدأ تشغيل المحرك الحراري: من منظم الحرارة مع درجة الحرارة ت 1- السخان، يتم إزالة كمية الحرارة في كل دورةس 1 ، والترموستات مع درجة الحرارة ت 2 (ت 2 < ت 1)- إلى الثلاجة تنتقل كمية الحرارة في كل دورةس 2 ، بينما يتم العمل أ = س 1 - س 2

عملية دائرية أو دورةهي عملية يعود فيها النظام، بعد مروره بسلسلة من الحالات، إلى حالته الأصلية. في مخطط الحالة، يتم تصوير الدورة على أنها منحنى مغلق. يمكن تقسيم الدورة التي يؤديها الغاز المثالي إلى عمليتي التمدد (1-2) والضغط (2-1)، ويكون عمل التمدد موجباً أ 1-2> 0، لأنV 2 > V 1 ، عمل الضغط سلبي أ 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . وبالتالي، فإن الشغل الذي يبذله الغاز في كل دورة يتحدد بالمساحة التي يغطيها المنحنى المغلق 1-2-1. إذا تم القيام بعمل إيجابي خلال دورة (دورة في اتجاه عقارب الساعة)، فسيتم استدعاء الدورة للأمام، إذا كانت دورة عكسية (تحدث الدورة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة).

دورة مباشرةالمستخدمة في المحركات الحرارية - المحركات التي تعمل بشكل دوري والتي تؤدي العمل باستخدام الحرارة الواردة من الخارج. يتم استخدام الدورة العكسية في آلات التبريد - وهي منشآت تعمل بشكل دوري حيث يتم نقل الحرارة إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى بسبب عمل القوى الخارجية.

ونتيجة للعملية الدائرية، يعود النظام إلى حالته الأصلية، وبالتالي يكون التغير الإجمالي في الطاقة الداخلية صفرًا. ثمІ ابدأ t/d للعملية الدائرية

س= Δ ش+ أ= أ,

أي أن الشغل المبذول في كل دورة يساوي كمية الحرارة الواردة من الخارج، ولكن

س= س 1 - س 2

س 1 - الكمية الحرارة التي يتلقاها النظام ،

س 2 - الكمية الحرارة المنبعثة من النظام.

الكفاءة الحراريةللعملية الدائرية تساوي نسبة الشغل الذي يبذله النظام إلى كمية الحرارة الموردة إلى النظام:

بالنسبة إلى η = 1، يجب استيفاء الشرطس 2 = 0، أي يجب أن يكون للمحرك الحراري مصدر حراري واحدس 1 ولكن هذا يتعارض مع القانون الثاني لـ t/d.

يتم استخدام العملية العكسية التي تحدث في المحرك الحراري في آلة التبريد.

من منظم الحرارة مع درجة الحرارة ت 2 يتم أخذ كمية من الحرارةس 2 وينتقل إلى منظم الحرارة مع درجة الحرارةت 1 ‎كمية الحرارةس 1 .

س= س 2 - س 1 < 0, следовательно أ< 0.

بدون بذل شغل، من المستحيل أخذ الحرارة من جسم أقل حرارة وإعطائها إلى جسم أكثر سخونة.

بناءً على القانون الثاني لـ t/d، اشتق كارنو نظرية.

نظرية كارنو: من جميع المحركات الحرارية التي تعمل بشكل دوري ولها نفس درجات حرارة السخان ( ت 1) والثلاجات ( ت 2) أعلى كفاءة. لديها آلات عكسها. كفاءة آلات عكسها على قدم المساواة ت 1 و ت 2 ـ متساوية ولا تعتمد على طبيعة سائل العمل.

الجسم العامل هو الجسم الذي يقوم بعملية دائرية ويتبادل الطاقة مع الأجسام الأخرى.

دورة كارنو هي دورة عكسية وأكثر اقتصادا، وتتكون من 2 متساوي الحرارة و 2 أديابات.

1-2 التوسع متساوي الحرارة عند ت 1 سخان؛ يتم توفير الحرارة للغازس 1 ويتم العمل

2-3 - الأديبات. التوسع، والغاز لا يعملأ 2-3 >0 فوق الهيئات الخارجية.

3-4 ضغط متساوي الحرارة عند ت 2 ثلاجات؛ تتم إزالة الحرارةس 2 ويتم العمل;

4-1- الضغط الأديابي، ويتم العمل على الغازأ 4-1 <0 внешними телами.

في عملية متساوية الحرارةش= ثابت، لذلك س 1 = أ 12

1

أثناء التوسع الأديباتيس 2-3 = 0، وعمل الغاز أ 23 يتم إنجازه بواسطة الطاقة الداخليةأ23 = - ش

كمية من الحرارةس 2 ، فإن الغاز الذي يُعطى للثلاجة أثناء الضغط متساوي الحرارة يساوي عمل الضغط أ 3-4

2

عمل الضغط الأديباتي

العمل المنجز نتيجة لعملية دائرية

أ = أ 12 + أ 23 + أ 34 + أ 41 = س 1 + أ 23 - س 2 - أ 23 = س 1 - س 2

وتساوي مساحة المنحنى 1-2-3-4-1.

الكفاءة الحرارية دورة كارنو

من المعادلة الأديباتية للعمليات 2-3 و3-4 نحصل عليها

ثم

أولئك. كفاءة يتم تحديد دورة كارنو فقط من خلال درجات حرارة المدفأة والثلاجة. لزيادة الكفاءة بحاجة إلى زيادة الفرق ت 1 - ت 2 .

******************************************************* ******************************************************

في الرسم التوضيحي على اليسار:احتجاج المحافظين المسيحيين ضد القانون الثاني للديناميكا الحرارية. النقوش على الملصقات: تم شطب كلمة "إنتروبيا"؛ "أنا لا أقبل المبادئ الأساسية للعلم والتصويت".

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومسائل الخلق

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اجتمعت مجموعة من المحافظين المسيحيين على درجات مبنى الكابيتول (كانساس، الولايات المتحدة الأمريكية) للمطالبة بإلغاء مبدأ علمي أساسي - القانون الثاني للديناميكا الحرارية (انظر الصورة على اليسار). وكان السبب في ذلك هو قناعتهم بأن هذا القانون الفيزيائي يتناقض مع إيمانهم بالخالق، لأنه يتنبأ بالموت الحراري للكون. وقال المعتصمون إنهم لا يريدون العيش في عالم يتحرك نحو مثل هذا المستقبل وتعليم أطفالهم ذلك. إن قيادة الحملة ضد القانون الثاني للديناميكا الحرارية ليس سوى عضو مجلس الشيوخ عن ولاية كانساس، الذي يعتقد أن القانون "يهدد فهم أطفالنا للكون كعالم خلقه إله خيّر ومحب".

إنه أمر متناقض، ولكن في نفس الولايات المتحدة الأمريكية، هناك حركة مسيحية أخرى - الخلقيون، بقيادة دوان جيش، رئيس معهد أبحاث الخلق - على العكس من ذلك، لا تعتبر القانون الثاني للديناميكا الحرارية علميًا فحسب، بل تناشده بحماس أيضًا إثبات أن العالم خلقه الله . إحدى حججهم الرئيسية هي أن الحياة لا يمكن أن تنشأ تلقائيا، لأن كل شيء حولها عرضة للتدمير التلقائي بدلا من الخلق.

وأمام هذا التناقض الصارخ بين هاتين الحركتين المسيحيتين، يطرح سؤال منطقي: أيهما على حق؟ وهل هناك من هو على حق؟

في هذه المقالةسننظر أين يمكن وأين يستحيل تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومدى ارتباطه بقضايا الإيمان بالخالق.

ما هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟

الديناميكا الحراريةهو فرع من فروع الفيزياء يدرس العلاقات والتحولات بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. ويستند إلى عدة مبادئ أساسية تسمى مبادئ (أحيانًا قوانين) الديناميكا الحرارية. ومن بينها، ربما يكون الأكثر شهرة هو المبدأ الثاني.

إذا ألقينا نظرة سريعة على جميع مبادئ الديناميكا الحرارية، فهي باختصار كما يلي: البداية الأولىيمثل قانون الحفاظ على الطاقة كما هو مطبق على الأنظمة الديناميكية الحرارية. وجوهرها هو أن الحرارة هي شكل خاص من أشكال الطاقة ويجب أخذها بعين الاعتبار في قانون حفظ وتحويل الطاقة. البداية الثانيةيفرض قيودًا على اتجاه العمليات الديناميكية الحرارية، ويحظر الانتقال التلقائي للحرارة من الأجسام الأقل تسخينًا إلى الأجسام الأكثر تسخينًا. ويترتب على ذلك أيضًا أنه من المستحيل تحويل الحرارة إلى عمل بكفاءة مائة بالمائة (الخسائر التي تلحق بالبيئة أمر لا مفر منه). وهذا يجعل من المستحيل إنشاء آلة ذات حركة أبدية بناءً على ذلك. البداية الثالثةينص على أنه من المستحيل خفض درجة حرارة أي جسم مادي إلى الصفر المطلق في وقت محدد، أي أن الصفر المطلق لا يمكن تحقيقه. البداية صفر (أو مشترك).يُشار إليه أحيانًا بالمبدأ الذي بموجبه يصل النظام المعزول، بغض النظر عن حالته الأولية، في النهاية إلى حالة من التوازن الديناميكي الحراري ولا يمكنه تركها بمفردها. التوازن الديناميكي الحراري هو الحالة التي لا يحدث فيها انتقال للحرارة من جزء من النظام إلى آخر. (يرد أدناه تعريف النظام المعزول.)

القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بالإضافة إلى القانون المذكور أعلاه، له صيغ أخرى. وكل ما ذكرناه من أحاديث الخلق يدور حول واحد منها. وترتبط هذه الصيغة بمفهوم الإنتروبيا الذي يجب أن نتعرف عليه.

إنتروبيا(حسب أحد التعريفات) هو مؤشر على اضطراب أو فوضى النظام. بعبارات بسيطة، كلما زادت الفوضى في النظام، زادت الإنتروبيا. بالنسبة للأنظمة الديناميكية الحرارية، كلما ارتفعت الإنتروبيا، زادت فوضوية حركة جزيئات المواد التي يتكون منها النظام (على سبيل المثال، الجزيئات).

بمرور الوقت، أدرك العلماء أن الإنتروبيا هي مفهوم أوسع ويمكن تطبيقه ليس فقط على الأنظمة الديناميكية الحرارية. بشكل عام، أي نظام لديه قدر معين من الفوضى، والتي يمكن أن تتغير - زيادة أو نقصان. في هذه الحالة، من المناسب الحديث عن الإنتروبيا. فيما يلي بعض الأمثلة:

· كوب من الماء.إذا تجمد الماء وتحول إلى جليد، فإن جزيئاته متصلة بشبكة بلورية. يتوافق هذا مع نظام أكبر (أنتروبيا أقل) من الحالة التي يكون فيها الماء قد ذاب وتتحرك الجزيئات بشكل عشوائي. ومع ذلك، بعد ذوبانه، لا يزال الماء يحتفظ بشكل ما - الزجاج الذي يقع فيه. إذا تم تبخر الماء، فإن الجزيئات تتحرك بشكل أكثر كثافة وتحتل الحجم الكامل المقدم لها، وتتحرك بشكل أكثر فوضوية. وبالتالي، فإن الإنتروبيا تزداد أكثر.

· النظام الشمسي.يمكنك أيضًا ملاحظة النظام والفوضى فيه. تتحرك الكواكب في مداراتها بدقة كبيرة بحيث يستطيع علماء الفلك التنبؤ بموقعها في أي وقت قبل آلاف السنين. ومع ذلك، هناك العديد من أحزمة الكويكبات في النظام الشمسي التي تتحرك بشكل أكثر فوضوية، فهي تصطدم وتتفكك وتسقط أحيانًا على كواكب أخرى. وفقًا لعلماء الكونيات، كان النظام الشمسي بأكمله (باستثناء الشمس نفسها) مليئًا في البداية بمثل هذه الكويكبات، والتي تشكلت منها الكواكب الصلبة لاحقًا، وكانت هذه الكويكبات تتحرك بشكل أكثر فوضوية من الآن. إذا كان هذا صحيحا، فإن إنتروبيا النظام الشمسي (باستثناء الشمس نفسها) كانت أعلى في الأصل.

· جالاكسي.تتكون المجرة من نجوم تتحرك حول مركزها. ولكن حتى هنا يوجد قدر معين من الفوضى: تتصادم النجوم أحيانًا، وتغير اتجاه حركتها، وبسبب التأثير المتبادل، لا تكون مداراتها مثالية، وتتغير بطريقة فوضوية إلى حد ما. لذا فإن الإنتروبيا في هذا النظام ليست صفرًا.

· غرفة الأطفال.غالبًا ما يتعين على أولئك الذين لديهم أطفال صغار أن يلاحظوا الزيادة في الإنتروبيا بأعينهم. بعد الانتهاء من التنظيف، أصبحت الشقة في حالة نسبية. ومع ذلك، فإن بضع ساعات (وأحيانًا أقل) من بقاء طفل أو طفلين هناك في حالة من اليقظة تكفي لزيادة إنتروبيا هذه الشقة بشكل ملحوظ...

إذا كان المثال الأخير جعلك تبتسم، فمن المرجح أنك تفهم ما هو الإنتروبيا.

وبالعودة إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، فلنتذكر أنه، كما قلنا، له صيغة أخرى ترتبط بمفهوم الإنتروبيا. يبدو مثل هذا: في نظام معزول، لا يمكن للإنتروبيا أن تنخفض. بمعنى آخر، في أي نظام معزول تمامًا عن العالم المحيط، لا يمكن للفوضى أن تنخفض تلقائيًا: بل يمكنها فقط أن تتزايد أو، في الحالات القصوى، تبقى على نفس المستوى.

إذا وضعت مكعبًا من الثلج في غرفة دافئة ومغلقة، فسوف يذوب بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، فإن بركة الماء الناتجة في هذه الغرفة لن تتحلل مرة أخرى إلى مكعب ثلج. افتح زجاجة عطر هناك وسوف تنتشر الرائحة في جميع أنحاء الغرفة. لكن لا شيء سيجعله يعود إلى الزجاجة. أشعل شمعة هناك وسوف تحترق، لكن لا شيء سيجعل الدخان يعود إلى شمعة. تتميز كل هذه العمليات بالاتجاهية واللارجعة. السبب وراء عدم رجعة العمليات التي تحدث ليس فقط في هذه الغرفة، ولكن في جميع أنحاء الكون بأكمله، يكمن بالتحديد في القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

على ماذا ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟

ومع ذلك، فإن هذا القانون، على الرغم من بساطته الظاهرة، هو أحد أصعب قوانين الفيزياء الكلاسيكية والتي غالبًا ما يُساء فهمها. والحقيقة هي أنه في صياغتها هناك كلمة واحدة لا تحظى في بعض الأحيان باهتمام كافٍ - وهي كلمة "معزولة". وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن للإنتروبيا (الفوضى) أن تنخفض إلا في الأنظمة المعزولة. هذا هو القانون. ومع ذلك، في الأنظمة الأخرى، لم يعد هذا قانونًا، ويمكن للإنتروبيا فيها أن تزيد أو تنقص.

ما هو النظام المعزول؟ دعونا نلقي نظرة على أنواع الأنظمة الموجودة بشكل عام من وجهة نظر الديناميكا الحرارية:

· يفتح.هذه هي الأنظمة التي تتبادل المادة (وربما الطاقة) مع العالم الخارجي. مثال: السيارة (تستهلك البنزين، الهواء، تنتج الحرارة).

· مغلق.وهي أنظمة لا تتبادل المادة مع العالم الخارجي، بل يمكنها تبادل الطاقة معه. مثال: سفينة الفضاء (مغلقة، ولكنها تمتص الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الشمسية).

· معزولة (مغلقة).هذه أنظمة لا تتبادل المادة أو الطاقة مع العالم الخارجي. مثال: الترمس (مغلق ويحتفظ بالحرارة).

كما لاحظنا، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على ثلث أنواع الأنظمة المدرجة.

وللتوضيح، دعونا نتذكر نظامًا يتكون من غرفة دافئة مغلقة وقطعة من الجليد ذابت أثناء وجودها فيها. في الحالة المثالية، كان هذا يتوافق مع نظام معزول، مما أدى إلى زيادة إنتروبيا. ومع ذلك، فلنتخيل الآن أن الجو شديد البرودة في الخارج، وفتحنا النافذة. أصبح النظام مفتوحًا: بدأ الهواء البارد يتدفق إلى الغرفة، وانخفضت درجة الحرارة في الغرفة إلى ما دون الصفر، وتجمدت قطعة الجليد لدينا مرة أخرى، والتي كانت قد تحولت سابقًا إلى بركة.

في الحياة الواقعية، الغرفة المغلقة ليست نظامًا معزولًا، لأنه في الواقع، يسمح الزجاج وحتى الطوب بمرور الحرارة. والحرارة، كما ذكرنا أعلاه، هي أيضًا شكل من أشكال الطاقة. ولذلك، فإن الغرفة المغلقة ليست في الواقع غرفة معزولة، ولكنها نظام مغلق. حتى لو أغلقنا جميع النوافذ والأبواب بإحكام، فإن الحرارة ستظل تغادر الغرفة تدريجيًا، وسوف تتجمد وستتحول بركةنا أيضًا إلى جليد.

مثال آخر مشابه هو غرفة بها ثلاجة. أثناء إيقاف تشغيل الفريزر، تكون درجة حرارته هي نفس درجة حرارة الغرفة. ولكن بمجرد تشغيله، سيبدأ في التبريد، وسيبدأ إنتروبيا النظام في الانخفاض. يصبح هذا ممكنا لأن مثل هذا النظام أصبح مغلقا، أي أنه يستهلك الطاقة من البيئة (في هذه الحالة، الكهربائية).

يشار إلى أنه في الحالة الأولى (غرفة بها قطعة من الجليد)، أطلق النظام الطاقة إلى البيئة، وفي الحالة الثانية (غرفة بها ثلاجة)، على العكس من ذلك، استقبلها. ومع ذلك، انخفضت الإنتروبيا في كلا النظامين. وهذا يعني أنه لكي يتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل كقانون ثابت، في الحالة العامة، ليس اتجاه نقل الطاقة هو المهم، ولكن وجود حقيقة هذا النقل بين النظام و العالم الخارجي.

أمثلة على انخفاض الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية.أمثلة الأنظمة التي تمت مناقشتها أعلاه تم إنشاؤها بواسطة الإنسان. هل هناك أي أمثلة على انخفاض الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية دون مشاركة العقل؟ نعم، بقدر ما تريد.

	رقاقات الثلج.أثناء تكوينها، تتحد جزيئات بخار الماء المتحركة بشكل عشوائي لتشكل بلورة منظمة. في هذه الحالة، يحدث التبريد، أي يتم إطلاق الطاقة في البيئة، وتحتل الذرات موقعًا أكثر ملاءمة لها من حيث الطاقة. تتوافق الشبكة البلورية لندفة الثلج مع نظام أكبر من جزيئات البخار المتحركة بشكل عشوائي.
	بلورات الملح.وقد لوحظت عملية مماثلة في تجربة قد يتذكرها الكثيرون من سنوات دراستهم. يتم إنزال الخيط في كوب بمحلول ملح مركز (على سبيل المثال، ملح الطعام أو كبريتات النحاس)، وسرعان ما تشكل جزيئات الملح المذابة بشكل فوضوي أشكالًا جميلة ذات شكل غريب.
	فولغوريت.فولغوريت هو شكل يتكون من الرمال عندما يضرب البرق الأرض. في هذه العملية، يتم امتصاص الطاقة (التيار الكهربائي البرقي)، مما يؤدي إلى ذوبان الرمال، والتي تتصلب لاحقًا إلى شكل صلب، وهو ما يتوافق مع نظام أكبر من الرمال المتناثرة بشكل فوضوي.
	الطحلب البطي على البركة.عادة، طحالب البط التي تنمو على سطح البركة، إذا كان هناك ما يكفي منها، تميل إلى احتلال مساحة البركة بأكملها. حاول أن تدفع طحلب البط بيديك، وفي غضون دقيقة ستعود إلى مكانها. ومع ذلك، عندما تهب الرياح (في بعض الأحيان بالكاد محسوسة)، تتراكم طحالب البط في جزء واحد من البركة وتكون هناك في حالة "مضغوطة". تنخفض الإنتروبيا بسبب امتصاص طاقة الرياح.
	تكوين المركبات النيتروجينية.في كل عام، تحدث حوالي 16 مليون عاصفة رعدية في الغلاف الجوي للكرة الأرضية، وخلال كل منها هناك عشرات ومئات من الصواعق. أثناء ومضات البرق، تتشكل المكونات البسيطة للغلاف الجوي - النيتروجين والأكسجين والرطوبة - إلى مركبات نيتروجين أكثر تعقيدًا ضرورية لنمو النبات. يحدث الانخفاض في الإنتروبيا في هذه الحالة بسبب امتصاص طاقة تفريغ البرق الكهربائي.
	رد فعل بتليروف.تُعرف هذه العملية الكيميائية أيضًا باسم التوليف التحفيزي الذاتي. وفيه، تنمو جزيئات السكر المعقدة من تلقاء نفسها في بيئة معينة، مما يؤدي إلى ظهور نوعها الخاص بها في تقدم هندسي. ويرجع ذلك إلى الخصائص الكيميائية لهذه الجزيئات. ترتيب التركيب الكيميائي، وبالتالي تقليل الفوضى، في تفاعل بتليروف يحدث أيضًا بسبب تبادل الطاقة مع البيئة.
	البراكين.تتحرك جزيئات الصهارة بشكل عشوائي، وتندلع إلى السطح، وتتصلب في شبكة بلورية وتشكل جبالًا بركانية وصخورًا ذات شكل معقد. إذا اعتبرنا الصهارة نظامًا ديناميكيًا حراريًا، فإن إنتروبيا تنخفض بسبب إطلاق الطاقة الحرارية في البيئة.
	تكوين الأوزون.الحالة الأكثر ملاءمة للطاقة لجزيئات الأكسجين هي O 2 . ومع ذلك، تحت تأثير الإشعاع الكوني الصلب، يتم تحويل عدد كبير من الجزيئات إلى الأوزون (O 3) ويمكن أن تبقى فيه لفترة طويلة. وتستمر هذه العملية بشكل مستمر طالما يوجد أكسجين حر في الغلاف الجوي للأرض.
	حفرة في الرمال.يعلم الجميع مدى قذارة المياه في أنهارنا: فهي تحتوي على القمامة والطحالب وما إلى ذلك، وكلها مختلطة. ولكن بجانب الشاطئ توجد حفرة صغيرة في الرمال، ولا يصب فيها الماء، بل يتسرب من خلالها. في الوقت نفسه، يتم تصفيته: يتم تقسيم المياه الملوثة بشكل موحد إلى مياه نظيفة وحتى قذرة. من الواضح أن الإنتروبيا تتناقص، ويحدث هذا بسبب قوة الجاذبية، التي بسبب اختلاف المستويات، تجبر الماء على التسرب من النهر إلى الحفرة.
	عجن.نعم، نعم، بركة بسيطة تركت بعد المطر توضح أيضًا أن الإنتروبيا يمكن أن تنخفض تلقائيًا! وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من الأجسام الأقل حرارة إلى الأجسام الأكثر تسخينًا. ومع ذلك، فإن درجة حرارة الماء في البركة تظل باستمرار أقل بعدة درجات من درجة حرارة التربة والهواء المحيط (يمكنك التحقق من ذلك في المنزل باستخدام صحن ماء ومقياس حرارة؛ ومقياس رطوبة يتكون من مقياس جاف ومقياس حرارة). يعتمد مقياس الحرارة الرطب أيضًا على هذا المبدأ). لماذا؟ لأن البركة تتبخر، حيث تنفصل الجزيئات الأسرع عن سطحها وتتبخر، بينما تبقى الجزيئات الأبطأ. وبما أن درجة الحرارة مرتبطة بسرعة الحركة الجزيئية، فقد اتضح أن البركة تبرد ذاتيًا باستمرار بالنسبة للبيئة الأكثر دفئًا. وبالتالي فإن البركة عبارة عن نظام مفتوح، لأنه لا يتبادل الطاقة فحسب، بل يتبادل المادة أيضًا مع البيئة، ومن الواضح أن العمليات الموجودة فيه تسير في الاتجاه المعاكس لما يشير إليه القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إذا كنت ذكيًا وتقضي القليل من الوقت، فيمكنك تذكر وكتابة الآلاف من الأمثلة المشابهة. من المهم أن نلاحظ أنه في العديد من الحالات المدرجة، فإن انخفاض الإنتروبيا ليس حادثًا معزولًا، بل هو نمط - الاتجاه نحوه متأصل في بناء مثل هذه الأنظمة. ولذلك، فهو يحدث في كل مرة تنشأ فيها الظروف المناسبة، ويمكن أن يستمر لفترة طويلة جدًا - ما دامت هذه الظروف موجودة. كل هذه الأمثلة لا تتطلب وجود آليات معقدة تقلل من الإنتروبيا، ولا تدخل العقل.

بالطبع، إذا لم يكن النظام معزولا، فليس من الضروري على الإطلاق أن تنخفض الإنتروبيا فيه. بل على العكس من ذلك، فهي زيادة في الإنتروبيا، أي زيادة في الفوضى، تحدث بشكل عفوي في كثير من الأحيان. على أية حال، نحن معتادون على حقيقة أن أي شيء يُترك دون إشراف أو رعاية، كقاعدة عامة، يتدهور ويصبح غير قابل للاستخدام، بدلاً من تحسينه. يمكن للمرء أن يقول حتى أن هذه خاصية أساسية معينة للعالم المادي - الرغبة في التدهور التلقائي، والميل العام إلى زيادة الإنتروبيا.

إلا أن هذا العنوان الفرعي قد بين أن هذا الاتجاه العام لا يكون قانونًا إلا في الأنظمة المعزولة. في الأنظمة الأخرى، لا تعد الزيادة في الإنتروبيا قانونًا - فكل شيء يعتمد على خصائص نظام معين والظروف التي يوجد فيها. لا يمكن تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليهم بحكم التعريف. وحتى لو زادت الإنتروبيا في أحد الأنظمة المفتوحة أو المغلقة، فإن هذا لا يعد تحقيقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، بل مجرد مظهر من مظاهر الميل العام إلى زيادة الإنتروبيا، وهو ما يميز العالم المادي ككل، ولكنه بعيدا عن المطلق.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية وكوننا

عندما ينظر مراقب متحمس إلى السماء المرصعة بالنجوم، وكذلك عندما ينظر إليها عالم فلك ذو خبرة من خلال التلسكوب، فيمكنهما ملاحظة ليس فقط جمالها، ولكن أيضًا النظام المذهل الذي يسود هذا العالم الكبير.

ولكن هل يمكن استخدام هذا الترتيب لإثبات أن الله خلق الكون؟ هل يصح استخدام هذا المنطق: بما أن الكون لم يقع في الفوضى وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فهل هذا يثبت أنه خاضع لسيطرة الله؟

ربما كنت معتادًا على التفكير بنعم. ولكن في الواقع، خلافا للاعتقاد السائد، لا. بتعبير أدق، في هذا الصدد، من الممكن والضروري استخدام أدلة مختلفة قليلا، ولكن ليس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

أولاًلم يثبت بعد أن الكون نظام معزول. على الرغم من أنه لم يتم إثبات العكس بالطبع، إلا أنه ليس من الممكن حتى الآن القول بشكل لا لبس فيه أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يمكن تطبيقه عليها ككل.

لكن لنفترض أن عزلة الكون كنظام سيتم إثباتها في المستقبل (وهذا أمر ممكن تمامًا). ماذا إذن؟

ثانيًا، القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يقول ما الذي سيسود بالضبط في نظام معين - النظام أو الفوضى. القانون الثاني يقول في أي اتجاه سيتغير هذا النظام أو الاضطراب - في نظام معزول، ستزداد الفوضى. وفي أي اتجاه يتغير الترتيب في الكون؟ إذا تحدثنا عن الكون ككل، فإن الفوضى تتزايد فيه (وكذلك الإنتروبيا). من المهم هنا عدم الخلط بين الكون والنجوم الفردية أو المجرات أو مجموعاتها. المجرات الفردية (مثل مجرتنا درب التبانة) يمكن أن تكون هياكل مستقرة للغاية ويبدو أنها لا تتحلل على الإطلاق على مدى ملايين السنين. ولكنها ليست أنظمة معزولة: فهي تشع الطاقة باستمرار (مثل الضوء والحرارة) إلى الفضاء المحيط. تحترق النجوم وتنبعث منها باستمرار مادة ("الرياح الشمسية") إلى الفضاء بين النجوم. بفضل هذا، تحدث عملية مستمرة لتحويل المادة المنظمة للنجوم والمجرات إلى طاقة وغاز متناثرة بشكل فوضوي. ما هذا إن لم يكن زيادة في الإنتروبيا؟

وبطبيعة الحال، تحدث عمليات التحلل هذه بمعدل بطيء جدًا، لذا يبدو أننا لا نشعر بها. ولكن إذا تمكنا من مراقبتها بوتيرة متسارعة للغاية - على سبيل المثال، أسرع بتريليون مرة، فسوف تتكشف أمام أعيننا صورة دراماتيكية للغاية لميلاد النجوم وموتها. ومن الجدير بالذكر أن الجيل الأول من النجوم الذي كان موجودًا منذ بداية الكون قد مات بالفعل. وفقا لعلماء الكونيات، يتكون كوكبنا من بقايا وجود وانفجار نجم محترق ذات يوم؛ ونتيجة لمثل هذه الانفجارات تتشكل جميع العناصر الكيميائية الثقيلة.

لذلك، إذا اعتبرنا الكون نظامًا معزولًا، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يكون راضيًا بشكل عام، سواء في الماضي أو اليوم. وهذا أحد القوانين التي وضعها الله، وبالتالي فهو يعمل في الكون مثل القوانين الفيزيائية الأخرى.

على الرغم مما قيل أعلاه، هناك الكثير من الأشياء المدهشة في الكون المرتبطة بالنظام السائد فيه، لكن ذلك لا يرجع إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بل لأسباب أخرى.

وهكذا، بحثت مجلة نيوزويك (العدد الصادر بتاريخ 09 نوفمبر 1998) في الاستنتاجات التي تقودنا إليها الاكتشافات المتعلقة بخلق الكون. وقالت إن الحقائق "تُظهر أصل الطاقة والحركة من العدم، أي من العدم، من خلال انفجار هائل للضوء والطاقة، وهو ما يتوافق إلى حد ما مع وصف سفر التكوين [الكتاب المقدس]". لاحظ كيف أوضحت مجلة نيوزويك التشابه بين ولادة الكون والوصف الكتابي لهذا الحدث.

تكتب هذه المجلة: «كانت القوى المنطلقة - ولا تزال - متوازنة بشكل مدهش (بشكل إعجازي؟): لو كان الانفجار الكبير أقل عنفًا بعض الشيء، لكان توسع الكون قد حدث بشكل أبطأ، وسرعان ما (في غضون بضعة ملايين من السنين) أو في غضون دقائق قليلة - على أي حال قريبًا) ستنعكس العملية ويحدث الانهيار. لو كان الانفجار أقوى قليلا، لكان من الممكن أن يتحول الكون إلى "مرق سائل" مخلخل للغاية، وكان من الممكن أن يكون تكوين النجوم مستحيلا. كانت فرص وجودنا صغيرة جدًا من الناحية الفلكية. كان ينبغي أن تظل نسبة المادة والطاقة إلى حجم الفضاء عند الانفجار الكبير ضمن واحد على كوادريليون من واحد بالمائة من النسبة المثالية.

اقترحت مجلة نيوزويك أن هناك من يتحكم في خلق الكون، والذي يعرف: "إذا حذفنا حتى درجة واحدة (كما ذكرنا أعلاه، كان هامش الخطأ واحدًا على كوادريليون من واحد بالمائة)، ... فلن تكون النتيجة مجرد تنافر". بل الإنتروبيا الأبدية والجليد."

اعترف عالم الفيزياء الفلكية آلان لايتمان: «إن كون الكون قد خُلق على هذا القدر من التنظيم هو لغز [بالنسبة للعلماء]». وأضاف أن "أي نظرية كونية تطمح إلى النجاح سيتعين عليها في النهاية أن تشرح لغز الإنتروبيا هذا": لماذا لم يسقط الكون في الفوضى. من الواضح أن مثل هذا الاحتمال المنخفض للتطور الصحيح للأحداث لا يمكن أن يكون مجرد حادث. (مقتبس في استيقظ!، ٢٢/٦/٩٩، الصفحة ٧.)

القانون الثاني للديناميكا الحرارية وأصل الحياة

كما ذكرنا سابقًا، تحظى النظريات بشعبية كبيرة بين الخلقيين القائلة بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يثبت استحالة ظهور الحياة تلقائيًا من مادة غير حية. في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، نشر معهد أبحاث الخلق كتابًا حول هذا الموضوع وحاول حتى التواصل مع أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بشأن هذه المسألة (لم تنجح المراسلات).

ومع ذلك، كما رأينا أعلاه، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على الأنظمة المعزولة. ومع ذلك، فإن الأرض ليست نظاما معزولا، لأنها تتلقى الطاقة باستمرار من الشمس، وعلى العكس من ذلك، تطلقها في الفضاء. والكائن الحي (حتى، على سبيل المثال، خلية حية)، بالإضافة إلى ذلك، يتبادل مع البيئة والمادة. ولذلك فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا ينطبق على هذه المسألة بحكم التعريف.

وقد ذكر أعلاه أيضًا أن العالم المادي يتميز بميل عام معين نحو زيادة الإنتروبيا، مما يؤدي إلى تدمير الأشياء في كثير من الأحيان ودخولها في حالة من الفوضى بدلاً من خلقها. ومع ذلك، كما ذكرنا، فإنه ليس قانونا. علاوة على ذلك، إذا انفصلنا عن العالم الكبير الذي اعتدنا عليه وانغمسنا في العالم الصغير - عالم الذرات والجزيئات (ومن هنا يفترض أن تبدأ الحياة)، فسنرى أنه من الأسهل بكثير عكس اتجاهه. عمليات زيادة الإنتروبيا فيه. في بعض الأحيان، يكون التأثير الأعمى وغير المنضبط كافيًا لبدء إنتروبيا النظام في الانخفاض. ومن المؤكد أن كوكبنا مليء بالأمثلة على مثل هذه التأثيرات: الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي، والحرارة البركانية في قاع المحيط، والرياح على سطح الأرض، وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك، فإن العديد من العمليات تتدفق في الاتجاه المعاكس "غير المواتي" بالنسبة لهم، أو يصبح الاتجاه المعاكس "مفيدًا" بالنسبة لهم (على سبيل المثال، انظر أعلاه في العنوان الفرعي "أمثلة على تقليل الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية"). ولذلك، فحتى ميلنا العام نحو زيادة الإنتروبيا لا يمكن تطبيقه على ظهور الحياة كنوع من القاعدة المطلقة: فهناك الكثير من الاستثناءات لها.

بالطبع، هذا لا يعني أنه بما أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يحظر النشوء التلقائي للحياة، فيمكن أن تنشأ الحياة من تلقاء نفسها. وهناك أشياء أخرى كثيرة تجعل مثل هذه العملية مستحيلة أو غير محتملة على الإطلاق، لكنها لم تعد مرتبطة بالديناميكا الحرارية وقانونها الثاني.

على سبيل المثال، تمكن العلماء من الحصول على عدة أنواع من الأحماض الأمينية في ظروف صناعية، تحاكي الظروف المفترضة للغلاف الجوي الأولي للأرض. الأحماض الأمينية هي نوع من اللبنات الأساسية للحياة: فهي تستخدم في الكائنات الحية لبناء البروتينات (البروتينات). ومع ذلك، فإن البروتينات الضرورية للحياة تتكون من مئات، وأحيانا آلاف من الأحماض الأمينية، متصلة بتسلسل صارم ومرتبة بطريقة خاصة في شكل خاص (انظر الشكل على اليمين). إذا قمت بدمج الأحماض الأمينية بترتيب عشوائي، فإن احتمال إنشاء بروتين وظيفي واحد بسيط نسبيًا سيكون ضئيلًا - صغير جدًا بحيث لن يحدث هذا الحدث أبدًا. بافتراض أن حدوثها العشوائي هو نفسه تقريبًا، حيث تم العثور على عدة أحجار مشابهة للطوب في الجبال، والتأكيد على أن منزلًا حجريًا يقف بالقرب منه قد تشكل من نفس الحجارة بشكل عشوائي تحت تأثير العمليات الطبيعية.

من ناحية أخرى، فإن البروتينات وحدها ليست كافية لوجود الحياة: لا يلزم وجود جزيئات DNA و RNA أقل تعقيدًا، والتي لا يصدق حدوثها بشكل عشوائي أيضًا. الحمض النووي هو في الأساس مخزن ضخم للمعلومات المنظمة اللازمة لصنع البروتينات. يتم تقديمه بواسطة مجموعة كاملة من البروتينات والحمض النووي الريبوزي (RNA)، الذي ينسخ هذه المعلومات ويصححها ويستخدمها "لأغراض الإنتاج". كل هذا نظام واحد، لا معنى لمكوناته الفردية، ولا يمكن إزالة أي منها منه. على المرء فقط أن يبدأ في التعمق أكثر في بنية هذا النظام وفي مبادئ عمله لفهم أن المصمم اللامع هو الذي عمل على إنشائه.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية والإيمان بالخالق

هل القانون الثاني للديناميكا الحرارية متوافق مع الإيمان بالخالق بشكل عام؟ ليس فقط بحقيقة وجوده، ولكن بحقيقة أنه خلق الكون والحياة على الأرض (تكوين 1: 1-27؛ رؤيا 4: 11); أنه وعد بأن الأرض سوف تستمر إلى الأبد (مزمور 103: 5)مما يعني أن الشمس والكون سيكونان أبديين بشكل أو بآخر؛ أن الناس سيعيشون إلى الأبد في السماء على الأرض ولن يموتوا أبدًا (مزمور 36: 29؛ متى 25: 46؛ رؤيا 21: 3، 4)?

يمكننا أن نقول بأمان أن الإيمان بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية يتوافق تمامًا مع الإيمان بالخالق ووعوده. والسبب في ذلك يكمن في صياغة هذا القانون نفسه: "في نظام معزول، لا يمكن للإنتروبيا أن تنخفض". أي نظام معزول يبقى معزولاً فقط طالما لا يتدخل أحد في عمله، بما في ذلك الخالق. ولكن بمجرد أن يتدخل ويوجه جزءًا من قوته التي لا تنضب إليها، سيتوقف النظام عن العزلة، وسيتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل فيه. ويمكن قول الشيء نفسه عن الاتجاه العام نحو زيادة الإنتروبيا، والذي ناقشناه أعلاه. نعم، من الواضح أن كل ما هو موجود حولنا تقريبًا - من الذرات إلى الكون - يميل إلى الدمار والتدهور بمرور الوقت. لكن الخالق لديه القوة والحكمة اللازمة لوقف أي عمليات انحطاط وحتى عكسها عندما يرى ذلك ضروريًا.

ما هي العمليات التي يقدمها الناس عادةً على أنها تجعل الحياة الأبدية مستحيلة؟

· في غضون بضعة مليارات من السنين ستخرج الشمس.كان من الممكن أن يحدث هذا لو لم يتدخل الخالق في عمله أبدًا. ومع ذلك، فهو خالق الكون ويمتلك طاقة هائلة تكفي لإبقاء الشمس مشتعلة إلى الأبد. على سبيل المثال، يمكنها، من خلال إنفاق الطاقة، عكس التفاعلات النووية التي تحدث في الشمس، كما لو كانت تزودها بالوقود لعدة مليارات من السنين، وكذلك تجديد حجم المادة التي تفقدها الشمس على شكل رياح شمسية.

· عاجلاً أم آجلاً، ستصطدم الأرض بكويكب أو ثقب أسود.بغض النظر عن مدى ضآلة احتمال حدوث ذلك، فهو موجود، مما يعني أنه على مدار الأبدية سيصبح بالتأكيد حقيقة واقعة. ومع ذلك، يستطيع الله، باستخدام قوته، أن يحمي الأرض من أي ضرر مقدمًا، وذلك ببساطة عن طريق منع مثل هذه الأشياء الخطيرة من الاقتراب من كوكبنا.

· سوف يطير القمر بعيدا عن الأرض، وسوف تصبح الأرض غير صالحة للسكن.يعمل القمر على تثبيت ميل محور الأرض، وبفضل ذلك يتم الحفاظ على المناخ عليه ثابتًا إلى حد ما. يتحرك القمر تدريجيًا بعيدًا عن الأرض، مما قد يؤدي في المستقبل إلى تغيير ميل محوره وقد يصبح المناخ لا يطاق. لكن الله، بالطبع، لديه القوة اللازمة لمنع مثل هذه التغييرات الكارثية وإبقاء القمر في مداره حيث يراه مناسبًا.

لا شك أن الأشياء في العالم المادي تميل إلى الشيخوخة والتدهور والانهيار. ولكن يجب أن نتذكر أن الله نفسه خلق العالم بهذه الطريقة. وهذا يعني أن هذا كان جزءًا من خطته. لم يكن المقصود من العالم أن يوجد إلى الأبد بمعزل عن الله. على العكس من ذلك، فقد خُلق ليظل موجودًا إلى الأبد تحت سيطرة الله. وبما أن الله كان لديه الحكمة والقدرة على خلق العالم، فليس لدينا أي سبب للشك في أن لديه نفس القوة والحكمة لرعاية خليقته إلى الأبد، وإبقاء كل شيء فيها تحت سيطرته.

تؤكد لنا الآيات الكتابية التالية أن الشمس والقمر والأرض والناس سيكونون موجودين إلى الأبد:
· « سيخافونك ما دامت الشمس والقمر موجودتين من جيل إلى جيل» (مزمور 72: 5)
· « [الأرض] لن تتزعزع إلى الأبد وإلى الأبد» (مزمور 103: 5)
· « الصديقون يرثون الأرض ويسكنون عليها إلى الأبد» (مزمور 36:29)

لذلك، لا شيء يمنعنا من الإيمان بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية واعتباره مبدأ علميًا صحيحًا، وفي نفس الوقت أن نكون متدينين بشدة وننتظر تحقيق جميع وعود الله المسجلة في الكتاب المقدس.

استخدم الحجج الصادقة

لذا، إذا كنت مؤمنًا، فأي من الطوائف الدينية المذكورة في بداية المقال ستضيف صوتك إليها؟ إلى المشاركين في المظاهرة المذكورة أعلاه للمحافظين المسيحيين الذين يطالبون بإلغاء القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟ أم إلى الخلقيين الذين يستخدمون هذا القانون كدليل على خلق الله للحياة؟ أنا لست لأحد.

ويميل معظم المؤمنين إلى الدفاع عن عقيدتهم بطريقة أو بأخرى، ويستخدم البعض معطيات العلم للقيام بذلك، مما يؤكد إلى حد كبير وجود الخالق. ومع ذلك، من المهم بالنسبة لنا أن نتذكر مبدأ كتابيًا خطيرًا: "نريد أن نتصرف بالحسنى في كل شيء" (عبرانيين 13: 18). لذلك، بالطبع، سيكون من الخطأ استخدام أي حجج غير صحيحة لإثبات وجود الله.

وكما رأينا من هذا المقال، لا يمكن استخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية كدليل على وجود الله، كما أن وجود الله أو عدم وجوده لا يثبت أو ينفي القانون الثاني للديناميكا الحرارية. المبدأ الثاني ببساطة لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمسألة وجود الخالق، تمامًا مثل الغالبية العظمى من القوانين الفيزيائية الأخرى (على سبيل المثال، قانون الجاذبية العالمية، قانون الحفاظ على الزخم، قانون أرخميدس أو كل القوانين الفيزيائية الأخرى). مبادئ أخرى للديناميكا الحرارية).

إن مخلوقات الله تزودنا بعدد كبير من الأدلة المقنعة، وكذلك الأدلة غير المباشرة على وجود الخالق. لذلك، إذا تبين أن أيًا من العبارات التي استخدمناها سابقًا كدليل غير صحيحة، فلا يجب أن تخاف من التخلي عنها لاستخدام الحجج الصادقة فقط للدفاع عن إيمانك.