قانون دوم ترمودینامیک چیست؟

قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند یک کمیت فیزیکی مهم به نام آنتروپی وجود دارد که طی یک فرآیند طبیعی و خود به خودی افزایش می‌یابد. تغییر آنتروپی برای یک فرآیند برگشت پذیر صفر است. قانون دوم ترمودینامیک به قانون افزایش آنتروپی نیز معروف است.

قانون دوم ترمودینامیک انرژی را کمّی می‌کند و ادعا می‌کند که یک فرآیند جهتِ خاصی دارد. قانون اول ترمودینامیک نه جهت روند را پیش بینی می‌کند و نه تضمینی برای وقوع فرآیند دارد. بنابراین، قانون دوم برای تعیین اینکه آیا یک فرآیند انجام‌پذیر است یا خیر، ارائه شد. انجام یک فرایند تنها در صورتی امکان پذیر است که هر دو قانون اول و دوم را برآورده کند.

چندین دانشمند برجسته برای بیان قانون دوم ترمودینامیک مشارکت کرده‌اند. سادی کارنو فیزیکدان فرانسوی، رودولف کلازیوس فیزیکدان آلمانی و لرد کلوین فیزیکدان اسکاتلندی-ایرلندی از جمله این افراد هستند.

معادله قانون دوم ترمودینامیک

برای درک معادلات قانون دوم، ابتدا باید شکل ریاضی آنتروپی را بشناسیم. هنگامی که یک سیستم از یک حالت به حالت دیگر تبدیل می‌شود، تغییر آنتروپی آن (ΔS) به عنوان مقدار گرمای مبادله شده (Q) تقسیم بر دمایی (T) که در آن تبادل انجام شده تعریف می‌شود.

ΔS = Q/T

بنابراین، تغییر آنتروپی برای سیستم و محیط پیرامون به صورت زیر نشان داده می‌شود:

(ΔS)_sys. = Q_sys. /T

(ΔS)_surr. = Q_surr. /T

تغییر کل آنتروپی برابر با مجموع تغییرات آنتروپی در سیستم و محیط پیرامون است:

(ΔS)_univ.= (ΔS)_sys. + (ΔS)_surr.= Q_sys./T + Q_surr./T

فرآیند برگشت پذیر

برای یک فرآیند برگشت پذیر و همدما، گرمای از دست رفته توسط سیستم برابر با گرمای به دست آمده توسط محیط اطراف است. به طور مشابه، گرمای به دست آمده توسط سیستم برابر با گرمای از دست رفته توسط محیط اطراف است. از این رو داریم:

Q_sys. = – Q_surr.

و بنابراین:

(ΔS)_univ. = Q_sys./T – Q_sys./T = 0

لذا، برای یک فرآیند برگشت پذیر و همدما، تغییر آنتروپی کل صفر است.

فرآیند برگشت ناپذیر

اگر این فرآیند غیرقابل برگشت باشد، گرمای جذب شده از محیط پیرامون توسط سیستم از معادله زیر بدست می‌آید:

Q_irrev. = nRT ln (V₂/V₁)

در این معادله:

V₁: حجم اولیه سیستم

V₂: حجم نهایی سیستم

T: دمایی که در آن تغییر حجم رخ می‌دهد

R: ثابت گازها (R = 8.314 JK^-1M^-1)

n: تعداد مول‌ها

ما فرض می‌کنیم که سیستم، یک گاز ایده‌آل است که با جذب گرما منبسط می‌شود. پس، تغییر آنتروپی کل برابر است با:

(ΔS)_univ. = Q_irrev./T = (nRT ln (V₂/V₁))/T = nR ln (V₂/V₁)

که بزرگتر از صفر است و بنابراین V2 > V1 است. از این رو،

(ΔS)_univ. > 0

اگر هر دو فرآیند را ترکیب کنیم، تغییر آنتروپی کل را بدست می‌آوریم:

(ΔS)_univ. = (ΔS)_sys. + (ΔS)_surr. ≥ 0

نابرابری فوق بیانگر این است که ΔS کل برای یک فرآیند برگشت پذیر صفر است و برای یک فرآیند برگشت‌ناپذیر افزایش می‌یابد. افزایش آنتروپی به این دلیل است که ممکن است روی سیستم کار انجام شود و منجر به اصطکاک و ویسکوزیته شود. یا از طرفی ممکن است یک واکنش شیمیایی رخ دهد. قانون دوم ترمودینامیک ما را به این نتیجه می‌رساند که بی نظمی در جهان در طول زمان در حال افزایش است.

مثالی برای قانون دوم ترمودینامیک

برای درک قانون دوم ترمودینامیک، اجازه دهید یک فرآیند برگشت‌ناپذیر معمولی از زندگی واقعی را در نظر بگیریم.

فرض کنید یک جسم داغ با یک جسم سرد در تماس است. گرما از جسم داغ به جسم سرد جریان پیدا می‌کند، بنابراین این دو به تعادل گرمایی می‌رسند. حالا فرض کنید این دو از هم جدا شده‌اند. آیا آن‌ها به دمای اولیه خود باز می‌گردند؟ خیر. بنابراین، رساندن آن‌ها به دمای یکسان، برگشت‌ناپذیر است و آنتروپی افزایش خواهد یافت.

بیانیه‌های جایگزین قانون دوم ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک دو عبارت جایگزین دارد:

بیان کلازیوس: «ساخت دستگاهی که در یک چرخه کامل کار کند و اثری جز انتقال گرما از جسم سرد به جسم گرم نداشته باشد، غیرممکن است.»

بیان کلوین-پلانک: «ساختن دستگاهی که در یک چرخه کامل کار کند و هیچ اثری جز تبدیل مستقیم گرما به کار نداشته باشد، غیرممکن است.»

کاربرد قانون دوم ترمودینامیک در موتورهای حرارتی و یخچال‌ها است. قانون دوم محدودیت‌های تئوری را برای عملکرد این ماشین‌ها تعیین می‌کند. بیانیه کلوین پلانک بیانگر این است که هیچ موتور حرارتی نمی‌تواند بازده حرارتی 100% داشته باشد. در غیر این صورت، قانون دوم را نقض می‌کند. به عنوان مثال، یک موتور دیزل دارای راندمان حرارتی 30٪ است.

در طبیعت، گرما از یک منطقه با دمای بالا به یک منطقه با دمای پایین جریان پیدا می‌کند، همان حالتی که در موتور حرارتی وجود دارد. برگشت به طور طبیعی و خود به خودی امکان‌پذیر نیست. در غیر این صورت قانون دوم نقض می‌شود. با این حال، یخچال می‌تواند گرما را از دماهای پایین به بالا به کمکِ کار انتقال دهد. طبق بیانیه کلازیوس، یخچال کار نخواهد کرد مگر اینکه نیروی خارجی کمپرسور آن را برای انجام کارِ مورد نظر هدایت کند.

هر ماشینی که قانون دوم ترمودینامیک را نقض کند، حرکت دائمی نوع دوم نامیده می‌شود.

جمع‌بندی

بیان قانون دوم ترمودینامیک: آنتروپی یک سیستم و محیط اطراف آن در یک فرآیند طبیعی و خود به خودی هرگز کاهش نمی‌یابد.

یک بیان جایگزین برای بیان قانون دوم این است که هر انتقال انرژی که صورت می‌گیرد، آنتروپی کل جهان را افزایش می‌دهد یا ثابت می‌ماند (برای یک فرآیند برگشت پذیر). قانون دوم مسیری را که یک فرآیند در آن رخ خواهد داد تعیین می‌کند. فرآیندی مثل یک واکنش شیمیایی در جهتی پیش می‌رود که آنتروپی کلی جهان را افزایش دهد.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله بنویسید.