ما هي الديناميكا الحرارية؟ الجزء الثاني

ينتج عن جميع الأنظمة الترموديناميكية ضياع حراري، وهذا الضياع يؤدي إلى زيادة الإنتروبي. وإنتروبي نظام مغلق هو "قياس كمّي لمقدار الطاقة الحرارية التي لا يمكن استخدامها للقيام بعمل" وفقًا لقاموس هيريتج الأمريكي، ويجدر بالذكر أن الإنتروبي الخاص بنظام مغلق يزداد دائمًا ولا ينقص أبدًا.

كما أن الأجزاء المتحركة ينتج عنها أيضًا ضياع حراري وذلك نتيجة للاحتكاك، وبالتالي تتسرب حرارة مشعة من النظام بشكل لا يمكن تفاديه؛ وهذا ما يجعل فكرة آلات الحركة الدائمة المزعومة مستحيلة. يشرح سيابال ميترا Siabal Mitra، وهو بروفسور فيزياء في جامعة ولاية ميسوري قائلًا: "لا يمكنك بناء محرك فعال مئة في المئة، وهذا يعني أنه لا يمكنك بناء آلة دائمة الحركة؛ ورغم ذلك مازال الكثير من الناس لا يصدقون ذلك، بل وناس كثر مازالوا يحاولون بناءها".

كما يُعرف الإنتروبي أيضًا على أنه "مقياس الفوضى والعشوائية في نظام مغلق"، والتي تزيد بشكل لا يمكن إيقافه أيضًا. يمكنك مزج ماء حار مع ماء بارد (فتحصل على ماء معتدل)، ولأن كوبًا كبيرًا من الماء المعتدل أكثر فوضى من كوبين أصغر يحوي أحدهما ماءً حارًا والآخر ماءً باردًا، لن تستطيع أبدًا أن تعيد فصل المياه إلى حارة وباردة ما لم تضف طاقة إلى النظام.

وكمثال آخر، لا يمكنك أن تعيد فصل بياض وصفار البيض الممزوجين، أو إزالة مبيّض القهوة من القهوة. وبينما تبدو بعض العمليات معكوسة بشكل تام، فإن ذلك غير قابل للتطبيق في الواقع، ولذلك فالإنتروبي يزودنا ببعد زماني وحيد الاتجاه: نحو الأمام، وهو اتجاه زيادة الإنتروبي.

قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة

تم التعبير عن المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية بالأصل من خلال ثلاثة قوانين، وقُدّر لقانون أساسي آخر أن يهمل لاحقّا، ربما لكونه بدا واضحّا جدا ولا يحتاج إلى عرضه. لكن قرر العلماء أنه من الضروري ضم هذا القانون وذلك لتشكيل مجموعة متكاملة من القواعد، وهنا برزت المشكلة بأن القوانين الثلاثة الأولى قد وضعت مسبقّا، وكانت معروفة جيدّا بأرقامها المحددة. عندها تم الاصطدام بمقترح إعادة ترقيم القوانين الموجودة، لأنه كان ليسبب إرباكا كبيرًا؛ أو أن يوضع القانون الأكثر أهمية في آخر القائمة، وهذا أيضًا لم يكن منطقيًا. لكن لم يلبث أن جاء الفيزيائي البريطاني رالف فولير Ralph H. Fowler ببديل لحل هذه المشكلة، حيث قام بتسمية القانون الجديد "بالقانون الصفري" (Zeroth Low)، والقوانين باختصار هي:
 

• القانون الصفري: ينص على أنه إذا كان هناك جسمان في حالة توازن حراري مع جسم ثالث، فهما في حالة توازن حراري مع بعضهما. وهذا يضع درجة الحرارة كخاصية قابلة للقياس وأساسية بالنسبة للمادة.
   
• القانون الأول: ينص على أن الزيادة الكلية في طاقة نظام ما مساوية للزيادة الحاصلة في الطاقة الحرارية مضافًا إليها العمل المبذول على النظام. ويعني ذلك أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة، ولذلك تخضع لمبدأ انحفاظ (مصونية) الطاقة.
   
• القانون الثاني: ينص على أن الطاقة الحرارية لا يمكن نقلها من جسم درجة حرارته أخفض إلى جسم ذو حرارة أعلى دون إضافة مزيد من الطاقة، ولهذا يكلفنا تشغيل مكيف الهواء مالًا!
   
• القانون الثالث: ينص على أن إنتروبي بلورة نقية عند الصفر المطلق تساوي الصفر. وكما في المثال أعلاه، يسمى الإنتروبي أحيانًا "الطاقة الضائعة"، وهذا يعني الطاقة التي لا يمكنها القيام بعمل؛ وبما أنه لا يوجد بأي حال طاقة حرارية عند الصفر المطلق، فلا يمكن أن يكون هناك طاقة ضائعة.
  
  يُمثل الإنتروبي أيضًا مقياسًا لفوضى النظام، فحتى في البلورة المثالية والتي هي بالتعريف "مرتبة" بشكل مثالي، فأي قيمة إيجابية في درجة الحرارة (زيادتها) تعني أن هناك حركة ضمن البلورة تسبب الفوضى! ولهذه الأسباب لا يمكن أن يوجد نطام فيزيائي ذو إنتروبي منخفض، ولهذا للإنتروبي دائمًا قيمة موجبة (تزداد دائمًا ولا تنقص).
  
   رغم أن علم الديناميكا الحرارية قد تطور عبر القرون، ومبادئه لا زالت تنطبق تقريبًا على أي جهاز يمكن اختراعه، فلا نستطيع أن نبالغ في أهميتها بالنسبة للتكنلوجيا الحديثة.