همه چیز درباره قانون دوم ترمودینامیک؛ آیا میتوان این قاعده بنیادی را نقض کرد؟
همه چیز درباره قانون دوم ترمودینامیک؛ آیا میتوان این قاعده بنیادی را نقض کرد؟
بااینحال تا اوایل قرن بیستم، قانون دوم ترمودینامیک در چشم برخی افراد بهعنوان قانون اصلی علم فیزیک درنظر گرفته میشد. اخترفیزیکدان بریتانیایی، آرتول استنلی ادینگتون در دههی ۱۹۲۰ میگوید:
این قانون دارای موقعیتی برتر در میان قوانین طبیعت است. اگر نظریهی شما برخلاف قانون دوم ترمودینامیک باشد، امیدی به آن نیست و هذیان محض خواهد بود.
قانون دوم ترمودینامیک پس از گذشت دو قرن از زمان تولدش، ارزش خود را در پیشرفت فناوری و علوم پایه ثابت کرده است. این قانون اساس فرآیندهای روزمره از سرد شدن قهوه تا تهویه هوا و گرمایش است، فیزیک تولید انرژی در نیروگاهها و مصرف انرژی در خودروها را توضیح میدهد و اساس درک واکنشهای شیمیایی به شمار میرود. همچنین «مرگ گرمایی جهان» را پیشبینی میکند و نقشی مهم در پاسخگویی به جریان یک جهتهی زمان دارد؛ اما همهچیز از بهبود موتورهای بخار آغاز شد.
تولد قانون دوم ترمودینامیک
نیکولا لئونار سعدی کارنو در سال ۱۷۹۶ متولد شد. او پسر یک مهندس فرانسوی شناخته شده و مسئول دولتی به نام لازار کارنو بود. گفته میشود پدر کارنو به دلیل علاقه فراوانی که به سعدی، شاعر ایرانی داشت این اسم میانی را برایش انتخاب کرد. در آن زمان فرانسه اوضاع متلاطمی داشت و پدر سعدی خیلی زود متوجه شد که در سمت اشتباه سیاست ایستاده است. از این رو به سوئیس و بعدها به آلمان تبعید شد و در این حین مادر سعدی فرزندش را به شهر کوچکی در شمال فرانسه برد.
درنهایت قدرت در فرانسه تغییر کرد و لازار به لطف رابطهای که با ناپلئون بناپارت داشت، به وطنش بازگشت. در آن زمان حتی همسر ناپلئون هم اندکی از سعدی پرستاری کرده بود.
بیوگرافی نوشته شده به دست برادر کوچکتر سعدی، هیپولیت او را شخصی پرانرژی اما گاهی تنها توصیف میکند که اندکی هم بیادب بود؛ اما سعدی از همان سنین جوانی کنجکاوی زیادی از خود نشان میداد که در نهایت به نبوغ انکارناپذیر او انجامید.
قانون دوم ترمودینامیک با وجود گذشت بیش از دو قرن از تولدش، تعریف مشخصی ندارد
سعدی تا سن ۱۶ سالگی برای آموزش در مدارج بالاتر در مدرسهی معروف پاریس به نام اِکول پلیتکنیک آمادگی داشت؛ چرا که او تا آن زمان به خوبی ریاضی، فیزیک و زبانهای مختلف را از پدرش آموخته بود. آموزشهای بعدی او موضوعاتی مثل مکانیک، شیمی و مهندسی نظامی را دربرمیگرفت. در آن زمان، سعدی نوشتن مقالههای علمی را آغاز کرد.
کارنو پس از خدمت بهعنوان مهندس نظامی، در سال ۱۸۱۹ برای تمرکز بر علم به پاریس بازگشت. او بعدها دورههای دانشگاهی از جمله دورههای مرتبط با موتورهای بخار را گذراند و علاقهی دیرینهاش به فرآیندهای صنعتی و مهندسی را تقویت کرد. کارنو خیلی زود آمادهسازی رسالهای دربارهی فیزیک موتورهای بخار را آغاز کرد که در آن برای اولین بار به اصول علمی حاکم بر تولید انرژی مفید از گرما رسید. این مقاله با عنوان «بازتابی بر قدرت محرکهی گرما» در ۱۲ ژوئن ۱۸۲۴ برای اولین بار چشماندازی از قانون دوم ترمودینامیک را ارائه میکند. استفان ولفرام، دانشمند کامپیوتر دربارهی قانون دوم ترمودینامیک مینویسد:
کارنو با موفقیت نشان داد، بازدهی حداکثری تئوری برای یک موتور بخار وجود دارد که تنها به دمای ذخایر گرمایی داغ و سرد آن وابسته است. کارنو در سازوکار خود در نهایت به معرفی قانون دوم ترمودینامیک رسید.
کارنو کاربرد موتور بخار در انگلستان قرن هجدهم و نقش آن در تقویت انقلاب صنعتی را مطالعه کرد. در آن زمان موتورهای بخار به دستگاههای غالب در جوامع تبدیل شدند و اهمیت زیادی در صنعت و تجارت داشتند. به نظر میرسید این موتورها انقلابی عظیم را در دنیای تمدن بشر به وجود بیاورند. موتور بخار در معادن، برای پیش راندن کشتیها، حفاری بندرها و رودخانهها، ذوب آهن، شکلدادن به چوب، آسیاب دانه و ریسیدن پارچه به کار میرفت.
با وجود اهمیت اجتماعی موتورهای بخار، کارنو یادآوری میکند که دادههای زیادی دربارهی اصول فیزیکی حاکم بر تبدیل بخار به کار وجود ندارد. او نوشته است: «این نظریه کمتر درک شده است و تلاش برای بهبود آن به شانس وابسته است». به نوشتهی کارنو، برای بهبود موتورهای بخار به درک کلیتری از گرما نیاز داریم که جدای از خواص ویژهی بخار است؛ بنابراین او عملکرد موتورهای بخار را صرفنظر از مادهی بهکاررفته برای انتقال گرما، بررسی کرد.
در آن دوران، این باور وجود داشت که گرما یک مادهی سیال به نام کالریک است که بین اجسام جریان پیدا میکند. کارنو بر اساس این نگرش به ردیابی جریان کالریک در یک موتور ایدهآل شامل یک سیلندر و پیستون، یک دیگ بخار و چگالنده پرداخت. یک سیال مناسب (برای مثال آب) میتواند در دیگ بخار به بخار تبدیل شود، بخار به سیلندر گسترش پیدا کند تا پیستون را هدایت کند و در نهایت بخار در چگالنده به آب مایع تبدیل شود.
بر اساس دیدگاه کارنو، گرما با افت دمای بالا به دمای پائینتر (دز نمونهی موتورهای بخار از دیگ بخار به چگالنده)، حرکت لازم برای انجام کار را تولید میکند به نوشتهی او:
تولید نیروی محرکه در موتورهای بخار ناشی از مصرف واقعی کالریک نیست بلکه حاصل انتقال از جسم گرم به جسم سرد است.
موتور بخار ساده: در نوع سیستم مورد بررسی سعدی کارنو، آب در دیگ بخار به بخار تبدیل میشود. سپس بخار پیستون را هدایت میکند که میتواند نیروی محرکه را به چرخها منتقل کند. بخار به شکل آب مایع در چگالنده سرد میشود. دیدگاه کلیدی کارنو این بود که گرما در این فرآیند مصرف نمیشود، بلکه با حرکت از یک بخش داغ (دیگ بخار) به بخش سرد (چگالنده) تولید کار میکند.
منبع : زومیت
مجله خبری lastech