سایت ملیون ایران

سرشت علم(۷): قانون نخست ترمودینامیک

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی هفتم:

https://melliun.org/v/wp-content/uploads/2018/07/serechte-elmPart7.m4a?_=1

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.

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.

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.

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 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.

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]  .

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.

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]

روکِش­گذاری یا عایق­بندی[۳۱]  ( ایزولاسیون) به شکلِ پشم حیوانات، لباسِ آدمیان و یا عایق­گذاریِ خانه‌ها، برای کاهشِ انتقالِ اجتناب­ناپذیرِ گرما اساسی است.

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.

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.

= (Thot – Tcold)/Thot x 100 بازدهی

————————————-

[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

خروج از نسخه موبایل