دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی هفتم:
قانون نخست ترمودینامیک
بسیاری از دانشمندان بر این باوَرند که نظمی ژَرف بر گیتی مُستولیست. ادامهی چنین باوری همچنین مَطرح میسازد که ماده نه آفریدنی است و نه نابودشدنی. هنگامی هم که فرم‌هایِ متفاوتِ انرژی شناخته شدند هنوز هم تا مدت‌ها دانشمندان به پژوهش جهتِ شناختِ پدیده ی پایستگی یا حفظِ انرژی[۱] پرداختند.
برای نشان دادن نمونه‌های بسیار زیادِ تراگسیل یا انتقالِ انرژی در طبیعت، نگاهی به زنجیره ی انرژی وقایعِ روزمره آموزنده است.
- وقتی به فانفار (پارکِ بازی) می‌رویم و سوارِ رولر کوستر[۲] (قطار غلطان) می‌شویم، موتوری الکتریکی به هنگام بالارفتنِ قطار، انرژیِ پتانسیلِ الکتریکی[۳] را به انرژیِ پتانسیلِ جاذبهای[۴] تبدیل می‌کند. هنگامیکه قطار به اوج می‌رسد و شروع به حرکتِ رو به پایین می‌کند، انرژیِ پتانسیلِ گرانشی یا جاذبه به انرژیِ جنبشی[۵] تبدیل میشود و به همین ترتیب در مسیر حرکت قطار غلطان انرژیای به انرژیای دیگر تبدیل میشود.
- انرژیِ شیمیایی به شکلِ بنزین (که شکلِ تبدیل شدهی کهن از انرژیِ خورشیدی به سوختِ سنگوارهای یا فسیلی است) تبدیل به انرژیِ جنبشی شده، ماشین را به حرکت در میآورد و در موتورِ ماشین تولیدِ گرما می‌کند.
- یکی از بزرگترین چالش‌های فنآوریِ مدرن یافتن راهکارهای پربازده و ارزانقیمت[۶] برای تبدیلِ انرژی از فرمی به شکلی دیگر است.
نخستین قانونِ ترمودینامیک می‌گوید که کلِّ انرژی در سیستمی بسته همواره ثابت است. اگرچه نشاندادنِ چنین قانونی بسیار دشوار بوده است زیرا که طراحی سیستمی کاملا بسته ساده نیست.
- فیزیکدانِ انگلیسی جیمز پرسکات ژول[۷] نخستین آزمایشِ قانعکنندهی این قانون را انجام داد و نام واحدِ انرژی بنام او زدهشد.
- او سیستمی را طراحی کرد که بالا و پایین رفتنِ دو وزنه، موجبِ حرکتِ چرخی در ظرفی بسته و بهمزدن آب در آن ظرف بود. با اندازهگیری انرژیِ صرفشدهی پتانسیل دو وزنه و برابری آن با انرژی کسبشدهی آب با ازدیادِ درجهی گرمایش آب، او قانون نخستِ ترمودینامیک را به اثبات رساند.
- قانون اول ترمودینامیک تعریفِ دقیق ریاضیاتی و محاسباتی تراگسیل یا انتقالِ انرژی از فرمی به فرمی دیگر را فراهم کرده است.
قانونِ اولِ ترمودینامیک چیزی در مورد سرعتِ تراگسیل یا انتقالِ انرژی از فرمی به فرمی دیگر نمی‌گوید.[۸] شمع و یا ترقه ممکن است انرژیِ پتانسیل شیمیاییای برابر داشته باشند اما پس از روشنشدن عملکردی کاملا متفاوت دارند.
- آهنگِ رهاشدن انرژی که توان یا قدرت نامیده میشود، انرژیِ مصرفشده در طولِ زمانی معیّن است[۹]. واحدِ استاندارد قدرت یا توان “وات” است و برابر با یک ژول در ثانیه است. این واحد بنامِ مخترعِ اِسکاتلندی جیمز وات[۱۰] (۱۷۳۶-۱۸۱۹) نامیده شدهاست. او مخترع ماشینِ بخار بود و واژهی “اسبتوان” یا “اسبقدرت[۱۱]” (نیروی کشش یک اسب در ثانیه) برساختهی اوست.
- مفهوم توان یا قدرت در بسیاری جاها منجمله در ورزش به کار گرفته میشود و اغلب در بیشتر موارد برندهی مسابقاتِ ورزشی بر اساسِ میزانِ انرژی مصرفشدهشان به پیروزی رسیده وتعیین شدهاند.
انرژی پیرنگی جهانشمول یا همهجا‌گیر[۱۲] در حوزهی علم است و همهی تقسیمبندی‌هایِ علمی این مفهوم را بکار گرفتهاند. نتیجتاً تعداد گیجکنندهای از واحد‌های مختلفِ انرژی برساخته شده است.
- برای نمونه صورتحساب‌های مصرفِ برق در خانه‌ها در آمریکا با واحدِ کیلو وات – ساعت، مصرف گاز با واحد ترمس و مصرفِ سوخت با واحد گالن میباشند[۱۳].
- در انگلستان واحد‌هایی از قبیلِ فوت – پوند و اسبقدرت – ساعت مورد استفادهاند[۱۴].
- فیزیکدان‌ها ژول و یا ارگ (یک میلیونیوم ژول) را برای اندازهگیری‌های روزمره بکار میبرند و واحدِ الکترون – ولت را برای فرآیندهای ابعادِ اتمی بکار میگیرند[۱۵] .
- شیمیدان‌ها برای واکنش‌هایِ روزمرهی شیمیایی واحدِ کالری را استفاده میکنند و واحد‌هایی دیگر را برای مواردی ویژه بکار میگیرند.
برای بسیاری از دانشمندان حوزهی علم، قانون نخستِ ترمودینامیک حاملِ اهمیتی ژرف در مورد قراینِ زیرساختیِ نظمِ طبیعت بود.
ژول بر این باور بود که قانون اولِ ترمودینامیک سندِ بخشندگیِ آفریدگار بودهاست. برای برخی دیگر از دانشمندان حوزهی علم حفظ ثابتِ انرژی در سیستمها، قانونی طبیعی مشابه با جاودانگی روح شمرده میشد.
شیمیدان مشهورِ بریتانیایی ویلیام تامپسون[۱۶] (۱۸۲۴-۱۹۰۷) که به لرد کلوین[۱۷] شناخته شده بود به قانون اولِ ترمودینامیک کِشِشی بسیار داشت و شدیدا مخالفِ داروین[۱۸] و نظریهیِ تکامل وی بود (که نقشِ شانسِ اتفاقی یا بختِ رخدادی و شرایطِ اقلیمی را به عنوان عواملی مهم برای تکامل مطرح کرده بود.) کلوین سعی داشت تا با استفاده از قانون اولِ ترمودینامیک ایده‌های داروین را رد کند.
هر سیستمِ بستهای، مثلا زمین و خورشید، بودجهی ثابتی از انرژی[۱۹] دارد.
برای بقایِ زندگی بر زمین، خورشید می‌باید با آهنگ و تعادلی شگفتانگیز به زمین انرژی برساند.
- بر اساس فرضیاتی ساده پیرامونِ منشأ قابلِ دسترسِ انرژی خورشیدی کلوین عمرِ زندگی بر رویِ زمین را کمتر از ۱۰۰ میلیون سال تخمین زده بود که بمراتب کمتر از ارزیابی صدها میلیون سال که برآورد فرضیهی تکامل داروین بود، است.
- فیزیکدانِ شهیر کلوین آنچنان موردِ احترام بود و ارزیابی‌های فیزیکی او آنچنان معروف که برآوردِ وی از عمرِ زندگی بر روی زمین، تا قریب به ۵۰ سال مانعِ قبولِ نظریهیِ تکاملِ داروین شده بود.
- در سال ۱۹۰۴ پس از کشفِ اِرنست رادترفورد[۲۰] پیرامونِ منشأ توانمند یا قدرتمندِ نوینِ انرژی – رادیوآکتیویته – که مظهرِ انرژیِ هستهای بود، اشتباهاتِ تخمینی کلوین ثابت شد و کلوین در غصهی بیبنیانی محاسباتاش چند سال بعد مرد.
قانونِ اولِ ترمودینامیک چارچوبی پژوهشی و بسیار ارزشمند را فراهم کرده بود اما این تنها نیمی از داستان بود.
قانون دوم ترمودینامیک
قانون نخستِ ترمودینامیک ثابت کرد که کُلِّ مقدارِ انرژی ثابت[۲۱] است اما قانون نخستِ ترمودینامیک در موردِ راه‌هایی که فرمی از انرژی به فرمی دیگر تبدیل میشود چیزی نگفت.
در زندگیِ روزمره ما با مَحدودیت‌هایِ زیادی در موردِ تراگسیل یا انتقالِ انرژی روبرو هستیم. برای نمونه کاسهی آش داغ ما سرد میشود اما کاسهیِ سردِ آش ما هرگز، خودانگیخته، داغ نمی‌شود. اینجا نیاز به قانونِ دومی داریم.
شهودی‌ترین تعریفِ قانونِ دوم چنین است: گرما گرایشی به پخششدنی یکدست و یکنواخت[۲۲] دارد. گرما از داغی به سوی سردی جریان مییابد.[۲۳]
چنین تعریفی دو مفهوم را در خود دارد: گرما و دما یا درجهی گرما[۲۴] .
- گرما میزانی از انرژی است (ژول، کالری و غیره.) مقدارِ انرژیِ گرماییِ هر سیستم مستقیما با میزانِ موادی که در سیستم است در رابطه است.
- دما مقوله و چیزی نسبی است: دو جسم دمایی (حرارتیای) مساوی دارند هنگامیکه هیچ انرژیِ گرمایی[۲۵] از یکی به دیگری جریان نمی‌‌یابد.
- هر گرماسنجی نیاز به دو نقطهیِ ارجأعی قابلِ بازتولید دارد.
- در دما یا درجهی گرمایِ صفرِ مطلق (۲۷۳- سانتیگراد) انرژیِ جنبشی اتم‌ها و ملکول‌ها صفر است.
ملاحظهی مقولاتِ گرما و دما یا درجهی گرما، ما را به خصوصیتِ دیگری از ماده نزدیک می‌کند که ظرفیتِ گرمایی[۲۶] نامیده میشود. هر مادهای ظرفیتِ انباشتِ انرژیِ گرمایی دارد و بعضی ماده‌ها ظرفیتِ گرماییِ بهتری از دیگر مواد دارند.
- برای نمونه یک کیلو آب و یک کیلو آهن را بر روی آتش بگذارید. کدام یک سریعتر داغ میشود؟
- ظرفیتِ گرمایی، مقدارِ انرژیِ گرمایشیای هست که هر ماده میتواند در خود ذخیره کند. آب ظرفیتِ گرماییای بسیار بیشتر از آهن در خود دارد.
- مقولهی سودمندِ دیگری که در ترمودینامیک تعریف شده است “گرمایِ مخصوص یا ویژه[۲۷]” نامیده میشود. “گرمایِ ویژهی” هر ماده، مقدارِ انرژی لازمی است که یک گرمِ آن ماده را یک درجه افزایشِ حرارت دهد. برای آب، این مقدار و واحد از انرژی یک کالری خوانده میشود. برایِ آهن یکدهمِ کالری کافی است تا یک درجه افزایشِ درجه داشته باشد.
قانونِ دومِ ترمودینامیک به گردش (یا حرکتِ) گرما وابستگی و اتکا دارد[۲۸].
گرما با سه مکانیزمِ متفاوت[۲۹] به گردش در میآید: هدایت یا رسانش، وزشِ گرمایی (همرفتی یا همبرداری) و تابش یا تشعشع .[۳۰]
- هدایت یا رسانش هنگامی اتفاق می‌افتد که گرما در اجسامِ جامد از اتمی به اتمی دیگر در انتقال است.
- وزشِ گرمایی یا همرفتی انتقالِ گرما در گاز‌ها و در مایعات است.
- تابش انتقالِ گرما به شکلِ نوری است که با سرعتِ ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در حرکت است.
روکِشگذاری یا عایقبندی[۳۱] ( ایزولاسیون) به شکلِ پشم حیوانات، لباسِ آدمیان و یا عایقگذاریِ خانه‌ها، برای کاهشِ انتقالِ اجتنابناپذیرِ گرما اساسی است.
- بیشترین میزانِ اتلاف یا از دسترفتگیِ گرما [۳۲] در گاز‌ها و در مایعات و از طریقِ همرفتی یا وزشِ گرمایی صورت می‌پذیرد. روکِشگذاری پوستینهای[۳۳] یا عایقبندیِ فیبرشیشهای، بسته‌هایی از هوا را آنچنان کوچک گیرمیاندازند که از همرفتیِ گرمایی جلوگیری میکنند.
- بطری‌هایِ تِرموس در طراحیشان مانع و فضایی خالی تعبیه شده که هم از رسانش یا هدایتِ گرمایی[۳۴] و هم از همرفتیِ گرمایی[۳۵] جلوگیری می‌کند.
قانونِ دوم ترمودینامیک بقدری در مسایلِ فیزیکی عملکرد دارد که میتوان اصولِ بنیادین آن را به شیوه‌هایِ مختلف بیان و تعریف کرد. تعریفِ ظریفتری از قانونِ دوم ترمودینامیک چنین است که نمیتوان ماشینی بوجود آورد که انرژی گرمایی را کاملا و تماماً به کارِ سودمند تبدیل کند.
قانونِ دوم ترمودینامیک بقدر بسیار زیادی برایِ طراحانِ صنعتی و بویژه برای طراحانِ ماشین‌هایِ بخار سودمند بوده است. مهندسِ فرانسوی نیکولاس کارنو[۳۶] مطالعاتِ زیادی پیرامون رابطهی کار و گرما انجام داد.
- کارنو نشان داد که میتوان کار را با راندمان و بازدهیِ بالا به انرژیِ گرمایی تبدیل کرد و یا اینکه برای نمونه ممکن و عملی است که پتانسیلِ جاذبهای جسمی را در ارتفاعی بالا یا مثلا پتانسیلِ شیمیایی ذغال را با کمترین میزانِ ازدسترفتگی به گرما تبدیل کرد.
- اما تبدیلِ گرما به کار مسالهیِ سختتر با محدودیت‌هایِ بیشتری است . مسلما بخشی از آن گرما به بدنهیِ سیستم و یا به ماشین و یا به محیط منتقل شده و از دست میرود.
- برای نمونه میتوان از طریقِ کار ظرفی را از آب پرکرد و قطرهای آب هم از دست نداد اما اگر بخواهیم با رهاکردن آبِ آن ظرف کار ایجاد کنیم، مقداری از آبِ همان ظرف در سیستمِ کارآفرین ما از دست خواهد رفت.
بزرگترین ادایِ سهمِ کارنو به ترمودینامیک در بوجودآوردنِ فرمول‌هایی محاسباتی بود که بالاترین میزانِ بازدهیِ[۳۷] ممکنِ هر سیستم را دقیقا تخمین میزد. او توانست درصدِ انرژیِ گرماییای که قابلیتِ انجامِ کار داشت را دقیقا محاسبه کند.
- حداکثرِ میزانِ راندمان و بازدهیِ هر موتوری به دو درجهی حرارتِ آن بستگی دارد: Thot درجهی حرارتِ منبعِ داغ (برای نمونه ذغالِ گداخته) و درجهی حرارتِ سردِ Tcold محیطی که گرما به آن منتقل میشود (برای نمونه مایع یا هوای پیرامونی.)
- موتورِ هر ماشینی، ابزاری مکانیکی بینِ دو منبعِ گرمایشی آن است و بدین مفهوم هر موتوری سیستمی است که گرما را بکار می‌گیرد.
- راندمان و بازدهیِ هر موتوری را میتوان در معادلهیِ زیر محاسبه کرد:
= (Thot – Tcold)/Thot x 100 بازدهی
- در زمانِ کارنو و پیش از شناختِ این اصول بازدهِ ماشین‌های بخار در حدود ۶% ارزیابی شده بود. با بهبودِ عایقسازی‌های بهتر امروزه نیروگاه‌هایِ ذغالسوزِ[۳۸] بازدهیای حدودِ ۴۰% دارند، که ۹۰% بازدهِ تئوریکِ)فرضیِ (محاسباتیِ ممکن[۳۹] برایِ ذغالسنگ است.
- فرمولِ کارنو نشان داد که تا چه اندازه سوخت‌هایِ سنگوارهای یا فسیلی[۴۰] (گاز، نفت، ذغال) برایِ افزایشِ بازدهِ موتور‌ها و ماشین‌ها اساسی بودند. این سوخت‌ها با شعلهیِ بسیار داغِ بالایی میسوزند و نتیجتاً دما یا درجهی حرارتِ منبعِ داغ را افزایش میدهند.
————————————-
conservation of energy
roller coaster
electrical potential energy
gravitational potential energy
kinetic energy
Cheap and efficient
James Prescott Joule
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.
Power as the rate of energy release
James Watt
horsepower
universal theme
kilowatt-hour, Therms, Gallons
foot-pound and horsepower-hour
Erg and electron volts
William Thompson known as Lord Kelvin
Burchfield, J.D. Lord Kelvin and the Age of the Earth. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1990.
Darwin
fixed budget of energy
Andrade, N. Rutherford and the Nature of the Atom. New York: Doubleday, 1964.
constant
diffusing evenly
Atkins, P.W. The Second Law. New York: Scientific American Library, 1984.
Heat and temperature
heat energy
heat capacity
specific heat
motion of heat
Conduction, convection, and radiation
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 4. New York: Wiley, 1997.
insulation
heat loss
Fur or fiber-glass insulation
conduction
convection
Nicolas Sadi Carnot
maximum efficiency
coal power plants
theoretical limit
fossil fuels
================
* دکتر ریموند رخشانی:
با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد.
در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی، کوشش می کنم که علم مدرن را (به زبان فارسی) از پایه به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم. از اساتید، پژوهشگران و اندیشمندان عزیز، خواهشمندم که لینک‌ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم مدرن – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند.
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید