تعد المضخة الدائمة واحدة من العديد من آلات الحركة الدائمة التي تم تصميمها على مر السنين ، بهدف إنتاج حركة مستمرة ، ونتيجة لذلك ، طاقة مجانية. التصميم بسيط للغاية: يتدفق الماء لأسفل من منصة مرتفعة فوق عجلة مائية متصلة بالتروس ، والتي بدورها تشغل مضخة تسحب الماء من السطح إلى المنصة المرتفعة ، حيث تبدأ العملية من جديد تكرارا.
عندما تسمع لأول مرة عن تصميم كهذا ، قد تعتقد أنه ممكن بل إنه فكرة جيدة. واتفق العلماء في ذلك الوقت ، حتى تم اكتشاف قوانين الديناميكا الحرارية وبددت آمال الجميع في الحركة الدائمة بضربة واحدة.
تعتبر قوانين الديناميكا الحرارية من أهم قوانين الفيزياء. يهدفون إلى وصف الطاقة ، بما في ذلك كيفية نقلها وحفظها ، جنبًا إلى جنب مع المفهوم الأساسي لـغير قادر عليمن النظام ، وهو الجزء الذي يقتل كل أمل في الحركة الدائمة. إذا كنت طالبًا في الفيزياء ، أو كنت تتطلع فقط إلى فهم العديد من الديناميكا الحرارية العمليات التي تحدث في كل مكان من حولك ، يعتبر تعلم القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية خطوة حاسمة في ذلك رحلتك.
ما هي الديناميكا الحرارية؟
الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء يدرس
الطاقة الحرارية والطاقة الداخليةفي الأنظمة الديناميكية الحرارية. الطاقة الحرارية هي الطاقة التي يتم تمريرها من خلال نقل الحرارة ، ويمكن التفكير في الطاقة الداخلية لمجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لجميع الجسيمات في النظام.باستخدام النظرية الحركية كأداة - التي تشرح خصائص جسم المادة من خلال دراسة حركاتها الجسيمات المكونة لها - تمكن الفيزيائيون من استنباط العديد من العلاقات الحاسمة بين المهمين كميات. بطبيعة الحال ، فإن حساب الطاقة الإجمالية لمليارات الذرات سيكون غير عملي ، مع الأخذ في الاعتبار العشوائية الفعالة لها حركات دقيقة ، لذلك فإن العمليات المستخدمة لاشتقاق العلاقات تم بناؤها حول الميكانيكا الإحصائية وما شابهها اقتراب.
بشكل أساسي ، أعطى تبسيط الافتراضات والتركيز على السلوك "المتوسط" على عدد كبير من الجزيئات العلماء أدوات لتحليل النظام ككل ، دون الوقوع في حسابات لا نهاية لها لمليارات من الذرات.
كميات مهمة
لفهم قوانين الديناميكا الحرارية ، عليك التأكد من فهمك لبعض المصطلحات الأكثر أهمية.درجة حرارةهو مقياس لمتوسط الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة - أي مقدار حركة الجزيئات (في سائل أو غاز) أو اهتزازها في مكانها (في مادة صلبة). وحدة SI لدرجة الحرارة هي كلفن ، حيث يُعرف 0 كلفن باسم "الصفر المطلق" ، وهو أبرد درجة حرارة ممكنة (على عكس درجة الحرارة الصفرية في الأنظمة الأخرى) ، حيث تكون كل حركة جزيئية يتوقف.
الطاقة الداخليةهي الطاقة الكلية للجزيئات في نظام ما ، وهذا يعني مجموع طاقتها الحركية وطاقتها الكامنة. يسمح الاختلاف في درجة الحرارة بين مادتين بتدفق الحرارة ، وهوطاقة حراريةالتي تنتقل من واحد إلى الآخر.العمل الديناميكي الحراريهو عمل ميكانيكي يتم إجراؤه باستخدام الطاقة الحرارية ، كما هو الحال في المحرك الحراري (يسمى أحيانًا محرك كارنو).
غير قادر عليهو مفهوم يصعب تحديده بوضوح بالكلمات ، ولكن من الناحية الرياضية يتم تعريفه على أنه ثابت بولتزمان (ك = 1.381 × 10−23 م2 كجم ق−1 ك−1) مضروبًا في اللوغاريتم الطبيعي لعدد الدول الصغرى في نظام ما. بالكلمات ، غالبًا ما يشار إليه بمقياس "الاضطراب" ، ولكن يمكن التفكير فيه بدقة أكبر على أنه درجة التي لا يمكن تمييز حالة النظام عن عدد كبير من الحالات الأخرى عند عرضها بالعين المجردة مستوى.
على سبيل المثال ، يحتوي سلك سماعة الرأس المتشابك على عدد كبير من الترتيبات المحددة الممكنة ، ولكن معظمها يبدو فقط مثل "التشابك" مثل الآخرين ، وبالتالي لديهم إنتروبيا أعلى من الحالة التي يتم فيها لف السلك بدقة مع عدم وجود تشابك.
قانون Zeroth للديناميكا الحرارية
يحصل القانون الصفري للديناميكا الحرارية على الرقم لأن القوانين الأولى والثانية والثالثة هي الأكثر شهرة و تم تدريسه على نطاق واسع ، ومع ذلك ، فإنه لا يقل أهمية عندما يتعلق الأمر بفهم تفاعلات الديناميكا الحرارية الأنظمة. ينص القانون الصفري على أنه إذا كان النظام الحراري A في حالة توازن حراري مع النظام الحراري B ، و النظام B في حالة توازن حراري مع النظام C ، ثم يجب أن يكون النظام A في حالة توازن مع النظام ج.
من السهل تذكر ذلك إذا فكرت في ما يعنيه أن يكون نظام ما في حالة توازن مع نظام آخر. التفكير من حيث الحرارة ودرجة الحرارة: يوجد نظامان في حالة توازن مع بعضهما البعض عندما تتدفق الحرارة على هذا النحو لهم نفس درجة الحرارة ، مثل درجة الحرارة الدافئة المنتظمة التي تحصل عليها بعض الوقت بعد صب الماء المغلي في إبريق بارد ماء.
عندما يكونون في حالة توازن (أي عند نفس درجة الحرارة) ، إما لا يحدث انتقال للحرارة أو يتم إلغاء أي كمية صغيرة من تدفق الحرارة بسرعة عن طريق التدفق من النظام الآخر.
بالتفكير في هذا ، من المنطقي أنك إذا أدخلت نظامًا ثالثًا في هذا الموقف ، فسوف يتحول نحوه التوازن مع النظام الثاني ، وإذا كان في حالة توازن ، فسيكون أيضًا في حالة توازن مع النظام الأول النظام أيضا.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن التغيير في الطاقة الداخلية لنظام (∆يو) تساوي الحرارة المنقولة إلى النظام (س) مطروحًا منه العمل الذي أنجزه النظام (دبليو). في الرموز ، هذا هو:
∆U = Q - W
هذا في الأساس بيان لقانون الحفاظ على الطاقة. يكتسب النظام الطاقة إذا تم نقل الحرارة إليه ويفقدها إذا كان يعمل على نظام آخر ، وينعكس تدفق الطاقة في المواقف المعاكسة. تذكر أن الحرارة هي شكل من أشكال نقل الطاقة ، وأن العمل هو نقل الطاقة الميكانيكية ، فمن السهل أن نرى أن هذا القانون يعيد التأكيد ببساطة على الحفاظ على الطاقة.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الانتروبيا الكلية لنظام مغلق (أي نظام منعزل) لا تتناقص أبدًا ، لكنها يمكن أن تزيد أو (نظريًا) تبقى كما هي.
غالبًا ما يتم تفسير هذا على أنه يعني أن "اضطراب" أي نظام معزول يزداد بمرور الوقت ، ولكن كما نوقش أعلاه ، هذه ليست طريقة دقيقة تمامًا للنظر إلى المفهوم ، على الرغم من أنه واسع النطاق حق. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية أساسًا على أن العمليات العشوائية تؤدي إلى "اضطراب" بالمعنى الرياضي الصارم للمصطلح.
مصدر آخر شائع للفهم الخاطئ حول القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو معنى "مغلق النظام." يجب التفكير في هذا على أنه نظام منعزل عن العالم الخارجي ، ولكن بدون هذه العزلة ، غير قادر عليتستطيعتخفيض. على سبيل المثال ، غرفة النوم الفوضوية التي تُترك من تلقاء نفسها لن تصبح أكثر ترتيبًا أبدًا ، لكنهاتستطيعقم بالتبديل إلى حالة أكثر تنظيماً من الانتروبيا المنخفضة إذا دخلها شخص ما وعمل عليها (أي ينظفها).
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه عندما تقترب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق ، فإن إنتروبيا النظام تقترب من الثابت. بعبارة أخرى ، يترك القانون الثاني إمكانية أن تظل إنتروبيا النظام ثابتة ، لكن القانون الثالث يوضح أن هذا يحدث فقط عندالصفر المطلق.
يشير القانون الثالث أيضًا إلى أنه (ويتم ذكره أحيانًا على أنه) من المستحيل تقليل درجة حرارة النظام إلى الصفر المطلق بأي عدد محدد من العمليات. بعبارة أخرى ، من المستحيل الوصول إلى الصفر المطلق فعليًا ، على الرغم من أنه من الممكن الاقتراب جدًا منه وتقليل الزيادة في الانتروبيا للنظام.
عندما تقترب الأنظمة من الصفر المطلق ، يمكن أن ينتج عن ذلك سلوك غير عادي على سبيل المثال ، عند الاقتراب من الصفر المطلق ، تفقد العديد من المواد المقاومة لتدفق التيار الكهربائي ، وتتحول إلى حالة تسمى الموصلية الفائقة. وذلك لأن المقاومة للتيار يتم إنشاؤها بواسطة عشوائية حركة نوى الذرات في الموصل - قريبة من الصفر المطلق ، بالكاد تتحرك ، وبالتالي تقل المقاومة.
آلات الحركة الدائمة
تشرح قوانين الديناميكا الحرارية وقانون الحفاظ على الطاقة سبب استحالة استخدام آلات الحركة الدائمة. سيكون هناك دائمًا بعض الطاقة "الضائعة" التي يتم إنشاؤها في العملية لأي تصميم قد تختاره ، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية: ستزداد إنتروبيا النظام.
يوضح قانون الحفاظ على الطاقة أن أي طاقة في الجهاز يجب أن تأتي من مكان ما ، وأن يظهر الميل نحو الانتروبيا سبب عدم قيام الآلة بنقل الطاقة بشكل مثالي من شكل إلى آخر.
باستخدام مثال عجلة المياه والمضخة من المقدمة ، يجب أن تحتوي عجلة المياه على أجزاء متحركة (على سبيل المثال ، المحور وجهازه الاتصال بالعجلة ، والتروس التي تنقل الطاقة إلى المضخة) ، وستخلق احتكاكًا ، وتفقد بعض الطاقة بسبب الحرارة.
قد يبدو هذا وكأنه مشكلة صغيرة ، ولكن حتى مع انخفاض طفيف في إنتاج الطاقة ، فإن المضخة لن تكون قادرة على الحصول عليهاالكلمن الماء احتياطيًا على السطح المرتفع ، وبالتالي تقليل الطاقة المتاحة للمحاولة التالية. بعد ذلك ، في المرة القادمة ، سيكون هناك المزيد من الطاقة المهدرة والمزيد من المياه التي لا يمكن ضخها ، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، سيكون هناك أيضًا فقد للطاقة من آليات المضخة.
أنتروبيا الكون وأنت
عند التفكير في القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، قد تتساءل: إذا كانت إنتروبيا معزولة يزيد النظام ، فكيف يمكن أن يكون مثل هذا النظام "المنظم" للغاية مثل الإنسان يكون؟ كيف يأخذ جسدي مدخلات مضطربة في شكل طعام ويحولها إلى خلايا وأعضاء مصممة بعناية؟ ألا تتعارض هذه النقاط مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟
ترتكب هاتان الحجتان نفس الخطأ: البشر ليسوا "نظامًا مغلقًا" (أي نظام منعزل) بالمعنى الدقيق للكلمة ، لأنك تتفاعل مع البيئة المحيطة ويمكن أن تأخذ الطاقة منها كون.
عندما ظهرت الحياة لأول مرة على الأرض ، على الرغم من أن المادة تحولت من إنتروبيا أعلى إلى حالة إنتروبيا أقل ، كان هناك مدخل للطاقة في النظام من الشمس ، وهذه الطاقة تمكن النظام من أن يصبح إنتروبيا أقل زمن. لاحظ أنه في الديناميكا الحرارية ، غالبًا ما يُفهم "الكون" على أنه يعني البيئة المحيطة بحالة ، وليس الكون الكوني بأكمله.
بالنسبة لمثال خلق الجسم البشري النظام في عملية تكوين الخلايا والأعضاء وحتى البشر الآخرين ، فإن الجواب هو نفس الشيء: تأخذ الطاقة من الخارج ، وهذا يمكّنك من القيام ببعض الأشياء التي تبدو أنها تتحدى القانون الثاني لـ الديناميكا الحرارية.
إذا كنت معزولًا تمامًا عن مصادر الطاقة الأخرى ، واستهلكت كل الطاقة المخزنة في جسمك ، فسيكون ذلك سيكون صحيحًا حقًا أنه لا يمكنك إنتاج خلايا أو أداء أي من مجموعة الأنشطة التي تحافظ على نشاطك تسيير. بدون تحديك الواضح للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، سوف تموت.