قوانین ترمودینامیک به زبان ساده

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک

قانون ترمودینامیک چیست؟

ترمودینامیک به معنای مطالعه درباره انرژی، تبدیل انرژی به حالت های گوناگون و توانایی انرژی برای انجام کار است.

قانون ترمودینامیک ، مقادیر فیزیکی مانند دما، انرژی و آنتروپی را تعریف می کند. این مقادیر نیز سیستم ‌های ترمودینامیکی را در حالت تعادل ترمودینامیکی توصیف می کنند.

کارایی اصلی هر قانون ترمودینامیک، تعریف روابط بین این مقادیر است. به علاوه، این اصول مبنایی برای غیرممکن بودن وجود پدیده ‌هایی خاص مانند حرکت ابدی (perpetual motion) ارائه می دهند.

این قوانین، فقط مخصوص به ترمودینامیک نیستند و قوانین بنیادین در فیزیک عمومی نیز به شمار می روند. همچنین در سایر علوم طبیعی نیز کاربردهای زیادی دارند.

ترمودینامیک در ابتدا سه قانون اساسی داشت که به شکلی ساده، با عناوین قانون اول، قانون دوم و قانون سوم به رسمیت شناخته شدند. اما پس از انتشار و تصویب سه قانون اول، مشخص شد که یک اصل بنیادی برای هر سه قانون اساسی نیاز است. این قانون ترمودینامیک نیز پس از انتشار، قانون صفرم (zeroth law) نامیده شد.

چارلز پرسی اسنو، دانشمند و نویسنده انگلیسی یک راه جالب برای یادآوردی آسان  این سه قانون پیشنهاد کرده است. او میگوید قوانین میتوانند به شکل زیر تفسیر شوند:

۱- شما نمی توانید برنده شوید(شما نمی توانید چیزی برای هیچی بدست آورید چون ماده و انرژی حفظ می شود)

۲- شما حتی نمی توانید ببازید(شما نمی توانید به حالت مشابه قبلی خود برگردید چون آنتروپی-بی نظمی-همیشه در حال افزایش است)

۳- شما نمی توانید از این بازی خارج شوید(چون حالت صفر مطلق هیچ گاه به دست نمی آید)

خب، این قوانین واقعا چه مطلبی را بیان می کنند و چرا مهم هستند؟ به زبان ساده، این قانون ها نیاز های کار و حرارت را نشان می دهد.

قوانین ترمودینامیک از کِی و کجا بوجود آمدند:

«کنت رامفرد» در سال ۱۷۹۷ ادعا کرد که مقدار محدودی کار، می تواند یک فعالیت مکانیکی بی ‌پایان و به دنبال آن مقادیر زیادی گرما تولید کند. این ادعا، تئوری کالُریک گرما را به چالش کشید. اساس تئوری کالریک، این بود که یک مقدار محدود کار، فقط می تواند مقدار محدودی گرما تولید کند. در راستای بررسی ایدۀ رامفرد، آزمایشات تئوری و تجربی زیادی انجام گرفت.

تا آن جا که اولین قانون ترمودینامیک (از لحاظ تاریخی) که بعدها تبدیل به قانون دوم شد، توسط «لئونارد کارنو» در سال ۱۸۲۴ تنظیم و فرموله شد. سپس در سال ۱۸۶۰، در آثار دانشمندانی مانند «رودولف کلازیوس» و «ویلیام تامسون» قوانین اول و دوم ترمودینامیک کاملا اثبات شدند.

در سال ۱۸۷۳ «ویلارد گیبس» در کتاب Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids، به وضوح در مورد این دو قانون ترمودینامیک صحبت کرد و آن ها را تایید کرد.

در اواخر قرن بیستم این قوانین دستخوش تغییراتی قرار گرفتند تا به بیان امروزی خود برسند. قوانین صفرم و سوم ترمودینامیک نیز محصول همین سال ها و تحقیقات جدیدتر دانشمندان هستند.

در پست بعدی، مفاهیم مورد نیاز برای درک قوانین ترمودینامیک را بررسی می کنیم. سپس قوانین ترمودینامیک را بیان می کنیم.

برای خواندن پست بعدی اینجا کلیک کنید.