سرشت علم(۷): قانون نخست ترمودینامیک

جمعه, ۵ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

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.

————————————-

[۱]

conservation of energy

[۲]

roller coaster

[۳]

electrical potential energy

[۴]

gravitational potential energy

[۵]

kinetic energy

[۶]

Cheap and efficient

[۷]

James Prescott Joule

[۸]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.

[۹]

Power as the rate of energy release

[۱۰]

James Watt

[۱۱]

horsepower

[۱۲]

universal theme

[۱۳]

kilowatt-hour, Therms, Gallons

[۱۴]

foot-pound and horsepower-hour

[۱۵]

Erg and electron volts

[۱۶]

William Thompson known as Lord Kelvin

[۱۷]

Burchfield, J.D. Lord Kelvin and the Age of the Earth. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1990.

[۱۸]

Darwin

[۱۹]

fixed budget of energy

[۲۰]

Andrade, N. Rutherford and the Nature of the Atom. New York: Doubleday, 1964.

[۲۱]

constant

[۲۲]

diffusing evenly

[۲۳]

Atkins, P.W. The Second Law. New York: Scientific American Library, 1984.

[۲۴]

Heat and temperature

[۲۵]

heat energy

[۲۶]

heat capacity

[۲۷]

specific heat

[۲۸]

motion of heat

[۲۹]

Conduction, convection, and radiation

[۳۰]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 4. New York: Wiley, 1997.

[۳۱]

insulation

[۳۲]

heat loss

[۳۳]

Fur or fiber-glass insulation

[۳۴]

conduction

[۳۵]

convection

[۳۶]

Nicolas Sadi Carnot

[۳۷]

maximum efficiency

[۳۸]

coal power plants

[۳۹]

theoretical limit

[۴۰]

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.

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.