ما هو القانون الثاني في الترموديناميك

الترموديناميك أو الديناميكا الحرارية، هو أحد فروع الفيزياء المُختصّة بدراسة العلاقة بين الحرارة والخصائص الفيزيائية الأخرى (مثل الضغط والكثافة والسرعة، وما إلى ذلك)، بدأت الدراسة بهذا المجال في القرن التاسع عشر، وذلك مع اختراع الآلة البخارية.

يتم فهم المبادئ الخاصة بالترموديناميك بسهولةٍ أكبر من خلال قوانين الديناميكا الحرارية وبعض المبادئ التي يتم شرحها من خلال النظرية الحركية. الديناميكا الحرارية تتعامل بشكلٍ خاص مع الاستجابة واسعة النطاق لنظامٍ يمكننا قياسه وملاحظته من خلال التجارب، بينما تفاعلات الغاز ذات النطاق الصغير فهي توصف من خلال النظرية الحركية للغازات، والأساليب تكمل بعضها البعض.

هناك ثلاثة قوانين رئيسية للترموديناميك، كل قانون يصف خاصيات وسلوك انتقال حرارة محددة، وهي تساعدنا على فهم وتوقع تشغيل النظام المادي، مع الأخذ بالعلم أن نظام الترقيم للقوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية يبدأ مع قانون الصفر.

اقترح كلاوزيوس وكلفن وكارنوت عدة أشكالٍ للقانون الثاني للترموديناميك لوصف مشاكل معينة في الفيزياء كانوا يدرسونها، والوصف الذي قدمناه هنا من كتاب هاليداي وريسنيك، والذي يبدأ بتعريف الإنتروبي: "إن الإنتروبي أو القصور الحراري له عدة تفسيراتٍ في الفيزياء، بما في ذلك الاضطراب الإحصائي للنظام، ولكن لأهدافنا سنعتبر الإنتروبي المحتوى الحراري للنظام".

ينص القانون الثاني للترموديناميك على أن إنتروبي أي نظام معزول ستميل للتزايد مع التقدم بالزمن، حيث تتطور الأنظمة المعزولة تلقائيًّا نحو توازنٍ حراريٍّ لحالة الإنتروبي القصوى، بكل بساطةٍ، الكون (النظام النهائي المعزول) يزيد الإنتروبي فقط ولا ينقصها.

هناك طريقةٌ بسيطةٌ لفهم الفكرة هنا، دعونا نتخيل غرفةً ما غير مرتبةٍ، الغرفة هنا تمثل النظام المعزول، والعشوائية (الكَركَبة) ضمن الغرفة تمثلها هنا الإنتروبي، فحسب القانون الثاني ستصبح دائمًا أكثر فوضى وغير منظمةٍ مع مرور الوقت، أي ستزداد الأنتروبي، وعندما يتم ترتيب الغرفة، سوف تتناقص الأنتروبي الخاصة بها، ولكن يعتبر الجهد المبذول لتنظيفها طاقةً خارجيةً أو تدخلًا خارجيًّا على النظام، ويؤدي أيضًا إلى زيادةٍ في قيمة الإنتروبي خارج الغرفة لتتجاوز القيمة المفقودة داخلها.

إن عمليات الترموديناميك التي تحافظ على الطاقة، لا تحدث في الطبيعة، فإذا وصلنا جسمًا ساخنًا مع جسمٍ باردٍ، فإننا نلاحظ أن الجسم الساخن تنخفض درجة حرارته وأن الجسم البارد ترتفع درجة حرارته، حتى يتم الوصول إلى توازنٍ. إن اتجاه نقل الحرارة في هذه العملية هو من الجسم الساخن إلى البارد، بينما في النظام الذي تنتقل فيه الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن -وذلك دون المساس بالقانون الأول في الترموديناميك-، يصبح الجسم البارد أكثر برودةً ويصبح الجسم الساخن أكثر حرارةً، وهكذا سنحافظ على الطاقة، لكن ومن الواضح أننا لا نجد مثل هذا النظام بالطبيعة، ولشرح هذا الأمر وغيره من الملاحظات المماثلة، اقترح علماء الديناميكا الحرارية قانونًا ثانيًّا للديناميكا الحرارية.

ينص القانون الثاني على وجود متغيّرٍ يدعى الإنتروبي، ويُرمز عادةً للإنتروبي بالحرف S كأحد المصطلحات الأساسية في الترموديناميك، والتغير في الإنتروبي يساوي دلتا نقل الحرارة مقسومًا على درجة الحرارة T.

delta S = delta Q / T

بالنسبة للعملية الفيزيائية العكوسة، تظل الإنتروبي للنظام والمحيط ثابتةً إذا أمكن عكس العملية، وأشرنا إلى الحالة الأولية والنهائية للنظام من خلال "i" و "f" على الترتيب:

(عملية عكوسة) Sf = Si

التدفق عبر أنبوبٍ مُتَضيّقٍ مثال على هذه العملية العكوسة -دون خسارة طبقات الأتبوب- فخلال الحركة عبر الأنبوب المُتَضيّق تتغير قيمة كلٌ من الضغط ودرجة الحرارة والسرعة، لكن هذه المتغيرات تعود إلى قيمها الأصلية في نهاية التضيق، وحالة الغاز أيضًا تعود لقيمها الطبيعية، أي التغيُّر في الإنتروبي سيصبح صفر، يُطلق على مثل هذه العملية بالعملية ثابتة التغيُّر في الإنتروبي.

كما ينص القانون الثاني، أنه إذا كانت العملية الفيزيائية غير عكوسةٍ، الإنتروبي المشتركة للنظام والمحيط لا بد أن تزداد، أي يجب أن تكون الإنتروبي النهائية أكبر من الإنتروبي الأولية للعملية غير العكوسة:

(عملية غير عكوسة) Sf > Si

مثال على هذه العملية غير العكوسة، هو الموضوع الذي نوقش في الفقرة السابقة، عند وضع جسم ساخن على تماسٍ مع جسمٍ باردٍ، كلاهما سيحققان نفس درجة حرارة التوازن، والإنتروبي ستزداد، وإذا قمنا بفصل هذه الأجسام فإنها ستظل عند درجة حرارة التوازن ولا تعود بشكلٍ طبيعيٍّ إلى درجات الحرارة الأصلية، أي أن عملية وصولهما لنفس درجة الحرارة غير عكوسةٍ، فلن تعود الإنتروبي لقيمتها، والتغيُّر سيحافظ على قيمته.

تم توظيف فوائد تطبيقات القانون الثاني في الترموديناميك في مجال التبريد، حيث أدت التطبيقات الأولية لهذا القانون، إلى استخدام الأنظمة المرحلية أو المتتالية لتقليل متطلبات الطاقة اللازمة لأنظمة تَسيِيل الهواء والهيليوم.

إن آخر الدراسات في القانون الثاني تعتمد على تقليل الإنتروبي غير العكوسة المنتجة وكذلك خسارة طاقة، والتي توفر لنا نظرةً أشمل حول تحقيق درجة حرارة التبريد المطلوبة، وتُظهر أيضًا هذه الدراسات الآثار الكبيرة في الطاقة التي تُعزى إلى فقدٍ في النظام غير العكوس، وتشير أيضًا إلى بعض إجراءات التصميم والتشغيل التي يمكن أن تقلل من هذه العقبة.

بعض أنظمة الطاقة المستقبلية، مثل الطاقة الهيدروديناميكية المغناطيسيّة وتخزين طاقة المغناطيس فائقة التوصيل وطاقة الانصهار والنقل المغنطيسي والغاز الطبيعي المُسال وتخزين ونقل الهيدروجين السائل، كلها تنطوي على فكرة تقنية التبريد، لذا ستستفيد هذه النظم من النظر في القانون الثاني في تصميمها وتحليل أدائها.