يحدد القانون الثاني للديناميكا الحرارية اتجاه العمليات الحرارية الحقيقية التي تحدث بسرعة محدودة.

البداية الثانية(القانون الثاني) الديناميكا الحرارية لقد عدة صيغ . على سبيل المثال، اي فعل, المتعلقة بتحويل الطاقة(أي مع انتقال الطاقة من شكل إلى آخر)، ولا يمكن أن تحدث دون فقدانها على شكل حرارة تتبدد في البيئة. في المزيد منظر عاموهذا يعني أن عمليات تحويل (تحويل) الطاقة يمكن أن تحدث بشكل عفوي فقط بشرط أن تنتقل الطاقة من شكل مركّز (مرتب) إلى شكل مشتت (مضطرب).

آخر تعريفويرتبط القانون الثاني للديناميكا الحرارية مباشرة مبدأ كلوزيوس : العملية التي لا يحدث فيها تغير سوى انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد هي عملية لا رجعة فيها، أي لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيا من الجسم البارد إلى الجسم الأكثر سخونة. حيث مثل إعادة توزيع الطاقة في النظام تتميز بضخامة ، مُسَمًّى إنتروبيا ، وهو مثل وظيفة الدولةتم تقديم النظام الديناميكي الحراري (وظيفة ذات تفاضل إجمالي) لأول مرة في 1865 العام على وجه التحديد من قبل كلوزيوس. إنتروبيا - إنه مقياس لتبديد الطاقة الذي لا رجعة فيه. كلما زادت كمية الطاقة التي تتبدد بشكل لا رجعة فيه على شكل حرارة، زادت الإنتروبيا.

وهكذا، من هذه الصياغة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية يمكننا أن نستنتج ذلك أي نظام والتي تتغير خصائصها مع مرور الوقت، يسعى إلى حالة التوازن، بحيث الانتروبيا للنظاميأخذ أقصى قيمة. ونتيجة لهذا القانون الثاني للديناميكا الحراريةاتصل في كثير من الأحيان قانون زيادة الانتروبيا ، ونفسها إنتروبيا (كيف الكمية الماديةأو كمفهوم مادي) يعتبر كمقياس للاضطراب الداخلي للنظام الفيزيائي الكيميائي .

بعبارة أخرى، إنتروبيا – وظيفة الدولةتميز اتجاه العمليات العفوية في مغلقة النظام الديناميكي الحراري. في حالة التوازن، تصل إنتروبيا النظام المغلق إلى الحد الأقصى ولا توجد عمليات عيانية ممكنة في مثل هذا النظام. الحد الأقصى للإنتروبيا يتوافق مع الفوضى الكاملة .

في أغلب الأحيان، لا يتميز انتقال النظام من حالة إلى أخرى بالقيمة المطلقة للإنتروبيا س ، وتغييره ∆ س ، وهي تساوي نسبة التغير في كمية الحرارة (المتصلة بالنظام أو المستخرجة منه) إلى درجة الحرارة المطلقة للنظام: ∆ س= ∆س/ت ي / درجة. هذا هو ما يسمى الانتروبيا الديناميكية الحرارية .

بالإضافة إلى ذلك، الإنتروبيا لديها المعنى الإحصائي. عند الانتقال من حالة ماكروستات إلى أخرى، تزداد الإنتروبيا الإحصائية أيضًا، نظرًا لأن هذا الانتقال يكون دائمًا مصحوبًا بعدد كبير من الولايات الدقيقة، وتتميز حالة التوازن (التي يميل إليها النظام) بأقصى عدد من الحالات الدقيقة.

فيما يتعلق بمفهوم الإنتروبيا في الديناميكا الحرارية، فإن مفهوم الوقت يأخذ معنى جديدا. في الميكانيكا الكلاسيكية، لا يؤخذ اتجاه الزمن بعين الاعتبار ويمكن تحديد حالة النظام الميكانيكي في الماضي وفي المستقبل. في الديناميكا الحرارية، يظهر الوقت في شكل عملية لا رجعة فيها لزيادة الإنتروبيا في النظام.أي أنه كلما زادت الإنتروبيا، زادت الفترة الزمنية التي مر بها النظام في تطوره.

بجانب، لفهم المعنى المادي للإنتروبيايجب أن يوضع في الاعتبار ذلك في الطبيعة هناك أربع فئات من الأنظمة الديناميكية الحرارية :

أ) أنظمة معزولة أو مغلقة(أثناء انتقال هذه الأنظمة من دولة إلى أخرى، لا يوجد نقل للطاقة والمادة والمعلومات عبر حدود النظام)؛

ب) الأنظمة الأديباتية(لا يوجد سوى تبادل حراري مع البيئة)؛

الخامس) أنظمة مغلقة(تبادل الطاقة، ولكن ليس المادة، مع الأنظمة المجاورة) (على سبيل المثال، سفينة فضائية);

ز) الأنظمة المفتوحة(تبادل المادة والطاقة والمعلومات مع البيئة). في هذه الأنظمة، بسبب وصول الطاقة من الخارج، يمكن أن تنشأ هياكل تبديدية ذات إنتروبيا أقل بكثير.

بالنسبة للأنظمة المفتوحة، تنخفض الإنتروبيا. هذا الأخير يتعلق في المقام الأول النظم البيولوجيةأي أن الكائنات الحية، وهي أنظمة مفتوحة غير متوازنة. تتميز هذه الأنظمة بتدرجات التركيز المواد الكيميائيةودرجة الحرارة والضغط والكميات الفيزيائية والكيميائية الأخرى. إن استخدام مفاهيم الديناميكا الحرارية الحديثة، أي الديناميكا الحرارية غير المتوازنة، يجعل من الممكن وصف سلوك الأنظمة المفتوحة، أي الأنظمة الحقيقية. تتبادل هذه الأنظمة دائمًا الطاقة والمادة والمعلومات مع بيئتها. علاوة على ذلك، فإن عمليات التمثيل الغذائي هذه هي مميزة ليس فقط للأنظمة الفيزيائية أو البيولوجية، ولكن أيضا للأنظمة الاجتماعية والاقتصادية والثقافية والتاريخية والإنسانية، لأن العمليات التي تحدث فيها، كقاعدة عامة، لا رجعة فيها.

ويرتبط القانون الثالث للديناميكا الحرارية (القانون الثالث للديناميكا الحرارية) بمفهوم "الصفر المطلق". المعنى الجسدييتكون هذا القانون، الموضح في النظرية الحرارية لـ W. Nernst (الفيزيائي الألماني)، من الاستحالة الأساسية للوصول إلى الصفر المطلق (-273.16 درجة مئوية)، والذي يجب أن تتوقف عنده الحركة الحرارية الانتقالية للجزيئات، وسيتوقف الإنتروبيا عن الاعتماد على المعلمات حالة فيزيائيةالأنظمة (على وجه الخصوص، من التغيرات في الطاقة الحرارية). تنطبق نظرية نيرنست فقط على حالات التوازن الديناميكي الحراري للأنظمة.

بمعنى آخر، يمكن إعطاء نظرية نيرنست الصيغة التالية: عند الاقتراب من الصفر المطلق، تزداد الإنتروبيا∆س يميل إلى حد نهائي محدد بشكل جيد، بغض النظر عن القيم التي تتخذها جميع المعلمات التي تميز حالة النظام(على سبيل المثال، الحجم، الضغط، حالة التجميعإلخ.).

فهم جوهر نظرية نيرنستممكن في المثال التالي. مع انخفاض درجة حرارة الغاز، سيحدث تكثيفه وستنخفض إنتروبيا النظام، حيث يتم وضع الجزيئات بطريقة أكثر انتظامًا. ومع انخفاض إضافي في درجة الحرارة، سيحدث تبلور السائل، مصحوبًا بانتظام أكبر في ترتيب الجزيئات، وبالتالي انخفاض أكبر في الإنتروبيا. عند درجة حرارة الصفر المطلق، تتوقف كل الحركة الحرارية، ويختفي الاضطراب، وينخفض ​​عدد الحالات الميكروية المحتملة إلى واحد، وتقترب الإنتروبيا من الصفر.

4. مفهوم التنظيم الذاتي. التنظيم الذاتي في الأنظمة المفتوحة.

مفهوم " التآزر " تم اقتراحه في عام 1973 من قبل الفيزيائي الألماني هيرمان هاكن للإشارة إلى الاتجاه, مُسَمًّى بحث القوانين العامةالتنظيم الذاتي - ظاهرة العمل المنسق لعناصر نظام معقد دون إجراء رقابة خارجية. التآزر (مترجمة من اليونانية – مشترك، منسق، تيسير) – الاتجاه العلمي دراسة الروابط بين عناصر الهيكل(الأنظمة الفرعية)، التي تتشكل في الأنظمة المفتوحة (البيولوجية، الفيزيائية والكيميائية، الجيولوجية والجغرافية، الخ.) بفضل مكثفة(تدفق) تبادل المادة والطاقة والمعلومات مع البيئة في ظروف عدم التوازن. في مثل هذه الأنظمة، يتم ملاحظة السلوك المنسق للأنظمة الفرعية، ونتيجة لذلك تزداد درجة النظام (تقل الإنتروبيا)، أي أن عملية التنظيم الذاتي تتطور.

حالة توازنهناك حالة من السلام والتماثل، أ عدم التماثليؤدي إلى الحركة وحالة عدم التوازن .

مساهمة كبيرة في نظرية التنظيم الذاتي للأنظمةساهم بها عالم فيزياء بلجيكي من أصل روسي آي آر. بريجوجين (1917-2003). وأظهر ذلك في أنظمة تبديدية (الأنظمة التي يحدث فيها تبديد الإنتروبيا) في سياق عمليات عدم التوازن التي لا رجعة فيها، تنشأ تشكيلات منظمة، والتي أطلق عليها اسم الهياكل التبددية.

التنظيم الذاتي- هذا عملية الظهور التلقائي للنظام والتنظيم من الفوضى(فوضى) في الأنظمة المفتوحة غير المتوازنة.الانحرافات العشوائية لمعلمات النظام عن التوازن ( التقلبات) تلعب دورًا مهمًا جدًا في عمل النظام ووجوده. بسبب نمو التقلبات عند امتصاص الطاقة منها بيئة نظام يصل إلى بعض حالة حرجة و يذهب إلى حالة مستقرة جديدةمع أكثر مستوى عالالصعوبات و طلب بالمقارنة مع سابقتها. النظام، الذي ينظم نفسه ذاتيًا في حالة ثابتة جديدة، يقلل من الإنتروبيا الخاصة به، كما كان، "يتخلص" من فائضه، الذي يزداد بسبب العمليات الداخلية، في البيئة.

الخروج من الفوضى هيكل مرتب (جاذب ، أو هيكل تبديد) هو نتيجة المنافسةمجموعات من جميع الحالات الممكنة المضمنة في النظام. ونتيجة للمنافسة، هناك اختيار عفوي للهيكل الأكثر تكيفا في ظل الظروف الحالية.

يعتمد التآزرحول الديناميكا الحرارية للعمليات غير المتوازنة، ونظرية العمليات العشوائية، ونظرية التذبذبات والأمواج غير الخطية.

يدرس علم التآزر ظهور الأنظمة وتطورها. يميز ثلاثة أنواع من الأنظمة: 1) مغلق، والتي لا تتبادل المادة أو الطاقة أو المعلومات مع الأنظمة المجاورة (أو مع البيئة)؛ 2) مغلق التي تتبادل الطاقة، ولكن ليس المادة، مع الأنظمة المجاورة (على سبيل المثال، مركبة فضائية)؛ 3) يفتح، التي تتبادل المادة والطاقة مع الأنظمة المجاورة. جميع الأنظمة الطبيعية (البيئية) تقريبًا هي من النوع المفتوح.

وجود الأنظمةلا يمكن تصوره لا اتصالات. وتنقسم الأخيرة إلى المباشر والعكس. مستقيم يسمونه هذا اتصال ، فيها عنصر واحد ( أ) يعمل على آخر ( في) دون رد. في تعليق عنصر فييستجيب لعمل العنصر أ.ردود الفعل يمكن أن تكون إيجابية أو سلبية.

ردود الفعل الإيجابيةيؤدي إلى تكثيف العملية في اتجاه واحد. مثال على عملها هو التشبع بالمياه في منطقة ما (على سبيل المثال، بعد إزالة الغابات). عمليةيبدأ يمثلالخامس اتجاه واحد: زيادة الرطوبة – استنفاد الأكسجين – تحلل أبطأ لمخلفات النباتات – تراكم الخث – زيادة التشبع بالمياه.

ردود الفعل ردود فعل سلبيةيتصرف بطريقة تستجيب لزيادة عمل العنصر أتزداد قوة الاتجاه المعاكس للعنصر ب. يسمح هذا الاتصال للنظام بالبقاء في الحالة توازن ديناميكي مستقر. هذا هو الأكثر شيوعا و وجهة نظر مهمةالروابط في النظم الطبيعية وهي في المقام الأول الأساس لاستدامة واستقرار النظم البيئية.

خاصية هامةأنظمةيكون ظهور (مترجم من الإنجليزية - ظهور وظهور شيء جديد). وتكمن هذه الخاصية في حقيقة أن خصائص النظام ككل ليست مجموعًا بسيطًا لخصائص الأجزاء أو العناصر المكونة له، ولكن العلاقات المتبادلة بين الروابط المختلفة للنظام تحدد جودته الجديدة.

ويستند النهج التآزري للنظر في النظم على ثلاثة مفاهيم: اختلال التوازن والانفتاح و اللاخطية .

اختلال التوازن(عدم الاستقرار) – حالة النظام، حيث يحدث تغيير في معلماته العيانية، أي التكوين والبنية والسلوك.

الانفتاح –قدرة النظاميتبادلون باستمرار المادة والطاقة والمعلومات مع البيئة ولديهم "مصادر" - مناطق تجديد الطاقة من البيئة ومناطق التبديد "الحوض".

اللاخطية –خاصية النظامالبقاء في مختلفة الدول الثابتة، المقابلة لقوانين السلوك المقبولة المختلفة لهذا النظام.

في الأنظمة غير الخطية وتسير التنمية وفق قوانين غير خطية، مما يؤدي إلى اختيار متعدد المتغيرات للمسارات والبدائل للخروج من حالة عدم الاستقرار. في الأنظمة غير الخطية يمكن أن ترتدي العمليات حرف عتبة حادعندما، مع التغيير التدريجي في الظروف الخارجية، لوحظ انتقال حاد إلى نوعية أخرى. في الوقت نفسه، يتم تدمير الهياكل القديمة، والانتقال إلى هياكل جديدة نوعيا.

هناك عدة صيغ للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، نذكر اثنتين منها أدناه:

· لا يمكن للحرارة أن تنتقل بمفردها من جسم درجة حرارته أقل إلى جسم درجة حرارته أعلى(صياغة ر. كلوزيوس)؛

· من المستحيل وجود آلة من النوع الثاني ذات الحركة الدائمة، أي مثل هذه العملية الدورية التي تكون نتيجتها الوحيدة هي تحويل الحرارة إلى شغل بسبب تبريد جسم واحد (صيغة طومسون).

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى عدم المساواة بين شكلين من أشكال نقل الطاقة - الشغل والحرارة. يأخذ هذا القانون في الاعتبار حقيقة أن عملية انتقال طاقة الحركة المنظمة للجسم ككل (الطاقة الميكانيكية) إلى طاقة الحركة غير المنتظمة لجزيئاته (الطاقة الحرارية) لا رجعة فيها. على سبيل المثال، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية أثناء الاحتكاك إلى حرارة دون أي عمليات إضافية. لا يمكن تحويل طاقة حركة الجسيمات المضطربة (الطاقة الداخلية) إلى عمل إلا إذا كانت مصحوبة ببعض العمليات الإضافية. وبالتالي، فإن المحرك الحراري الذي يعمل في دورة مباشرة ينتج العمل فقط بسبب الحرارة الموردة من المدفأة، ولكن في نفس الوقت يتم نقل جزء من الحرارة المستلمة إلى الثلاجة.

الإنتروبيا بالإضافة إلى الطاقة الداخلية ش، وهي وظيفة فريدة من نوعها لمعلمات حالة النظام؛ وتستخدم وظائف الحالة الأخرى على نطاق واسع في الديناميكا الحرارية ( الطاقة الحرة، المحتوى الحراريو إنتروبيا).

مفهوم إنتروبياقدم في عام 1865 من قبل رودولف كلوسيوس. هذه الكلمة تأتي من اليونانية. الانتروبياويعني حرفيا دور, تحويل.في الديناميكا الحرارية، يستخدم هذا المصطلح لوصف التحولات أنواع مختلفةالطاقة (الميكانيكية والكهربائية والخفيفة والكيميائية) إلى حرارية، أي إلى الحركة العشوائية الفوضوية للجزيئات. ومن المستحيل جمع هذه الطاقة وتحويلها مرة أخرى إلى النوع الذي تم الحصول عليها منه.

لتحديد تدابير تشتت لا رجعة فيهأو تبديدالطاقة وتم تقديم هذا المفهوم. إنتروبيا سهي وظيفة الدولة. إنها تبرز من بين الوظائف الديناميكية الحرارية الأخرى من حيث أنها تمتلكها إحصائية، أي الطبيعة الاحتمالية.

إذا حدثت عملية تنطوي على استلام أو إطلاق الحرارة في نظام ديناميكي حراري، فإن هذا يؤدي إلى تحول في إنتروبيا النظام، والذي يمكن أن يزيد أو ينقص. خلال دورة لا رجعة فيها، تزداد إنتروبيا النظام المعزول

دي إس> 0. (3.4)

وهذا يعني أن تبديد الطاقة لا رجعة فيه يحدث في النظام.

إذا حدثت عملية عكسية في نظام مغلق، فإن الإنتروبيا تظل دون تغيير

دي إس= 0. (3.5)

يتم تحديد التغير في الإنتروبيا لنظام معزول يتم نقل إليه كمية متناهية الصغر من الحرارة من خلال العلاقة:

. (3.6)

هذه العلاقة صالحة لعملية عكسها. بالنسبة لعملية لا رجعة فيها تحدث في نظام مغلق، لدينا:

دي إس> .

في النظام المفتوح، تزداد الإنتروبيا دائمًا. يتم استدعاء وظيفة الحالة التي يتم استدعاء التفاضل فيها انخفاض الحرارة.

وهكذا، في جميع العمليات التي تحدث في نظام مغلق، تزداد الإنتروبيا أثناء العمليات غير القابلة للانعكاس وتبقى دون تغيير أثناء العمليات القابلة للعكس. وبالتالي، يمكن دمج الصيغتين (3.4) و(3.5) وتقديمهما في النموذج

دي إس ³ 0.

هذا إحصائيةصياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إذا قام النظام بانتقال التوازن من الحالة 1 إلى الحالة 2، فإنه وفقا للمعادلة (3.6) , تغيير الانتروبيا

د س 1- 2 = س 2 – س 1 = .

ليست الإنتروبيا بحد ذاتها هي التي لها معنى فيزيائي، بل الفرق بين الإنتروبيا.

دعونا نوجد التغير في الإنتروبيا في عمليات الغاز المثالي. بسبب ال:

; ;

,

أو: . (3.7)

يوضح هذا أن التغير في إنتروبيا الغاز المثالي أثناء الانتقال من الحالة 1 إلى الحالة 2 لا يعتمد على نوع عملية الانتقال 1® 2.

من الصيغة (3.7) يترتب على ذلك متى متحاورعملية ( ت 1 = ت 2):

.

في متساوي اللونالعملية، والتغير في الانتروبيا يساوي

.

منذ معالجة adiabatic س= 0، ثم uD س= 0، وبالتالي، تحدث عملية ثابتة الحرارة قابلة للعكس عند إنتروبيا ثابتة. لهذا السبب يسمونه عملية متساوي الانتروبيا.

تتمتع إنتروبيا النظام بخاصية الجمع، مما يعني أن إنتروبيا النظام تساوي مجموع إنتروبيا جميع الأجسام التي تشكل جزءًا من النظام.

يصبح معنى الإنتروبيا أكثر وضوحًا إذا استخدمنا الفيزياء الإحصائية. في ذلك، يرتبط الإنتروبيا الاحتمال الديناميكي الحراري لحالة النظام. الاحتمال الديناميكي الحراري W لحالة النظام يساوي عدد جميع التوزيعات الدقيقة الممكنة للجزيئات على طول الإحداثيات والسرعات، والتي تحدد حالة كبيرة معينة: Walways³ 1، أي الاحتمال الديناميكي الحراري ليس احتمالًا بالمعنى الرياضي.

أظهر إل. بولتزمان (1872) أن إنتروبيا النظام تساوي ناتج ثابت بولتزمان كبواسطة لوغاريتم الاحتمال الديناميكي الحراري W لحالة معينة

وبالتالي، يمكن إعطاء الإنتروبيا التفسير الإحصائي التالي: الإنتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. ومن الصيغة (3.8) يتضح: من عدد أكبرالدول الصغيرة التي تنفذ حالة ماكروية معينة، كلما زادت الإنتروبيا. الحالة الأكثر احتمالا للنظام هي حالة التوازن. عدد الحالات الميكروية هو الحد الأقصى، وبالتالي فإن الإنتروبيا هي الحد الأقصى.

وبما أن جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، فيمكن القول بذلك جميع العمليات في نظام مغلق تؤدي إلى زيادة الإنتروبيا - مبدأ زيادة الإنتروبيا.

في التفسير الإحصائيالإنتروبيا، وهذا يعني أن العمليات في نظام مغلق تتحرك في الاتجاه من الحالات الأقل احتمالا إلى الحالات الأكثر احتمالا حتى يصبح احتمال الحالات الحد الأقصى.

دعونا نشرح مع مثال. لنتخيل وعاءً مقسمًا بواسطة حاجز إلى قسمين متساويين أو ب. في جزء أهناك الغاز، وفي ب- مكنسة. إذا قمت بعمل ثقب في القسم، فسيبدأ الغاز على الفور في التوسع "بنفسه" وبعد مرور بعض الوقت سيتم توزيعه بالتساوي على كامل حجم الوعاء، وهذا سوف على الأرجححالة النظام. الأقل إحتمالاستكون هناك حالة عندما معظمفجأة تملأ جزيئات الغاز أحد نصفي الوعاء بشكل تلقائي. يمكنك انتظار هذه الظاهرة بقدر ما تريد، لكن الغاز نفسه لن يتجمع مرة أخرى إلى أجزاء. أ. للقيام بذلك، تحتاج إلى القيام ببعض الأعمال على الغاز: على سبيل المثال، تحريك الجدار الأيمن للجزء مثل المكبس ب. وبالتالي، فإن أي نظام فيزيائي يميل إلى الانتقال من حالة أقل احتمالا إلى حالة أكثر احتمالا. حالة توازن النظام أكثر احتمالا.

باستخدام مفهوم الإنتروبيا وعدم المساواة ر. كلوزيوس، القانون الثاني للديناميكا الحراريةيمكن صياغته كقانون لزيادة إنتروبيا النظام المغلق أثناء العمليات التي لا رجعة فيها:

أي عملية لا رجعة فيها في نظام مغلق تحدث بطريقة تجعل النظام أكثر عرضة لدخول حالة ذات إنتروبيا أعلى، ويصل إلى الحد الأقصى في حالة التوازن. او اخرى:

في العمليات التي تحدث في الأنظمة المغلقة، لا تنخفض الإنتروبيا.

تجدر الإشارة إلى ذلك نحن نتحدث عنفقط حول الأنظمة المغلقة.

لذا فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو القانون الإحصائي. إنه يعبر عن الأنماط الضرورية للحركة الفوضوية عدد كبيرالجسيمات التي تشكل جزءًا من نظام معزول. ومع ذلك، فإن الأساليب الإحصائية لا تنطبق إلا في حالة وجود عدد كبير من الجزيئات في النظام. بالنسبة لعدد صغير من الجزيئات (5-10) لا ينطبق هذا النهج. في هذه الحالة، فإن احتمال وجود جميع الجسيمات في نصف الحجم لم يعد صفرًا، أو بمعنى آخر، يمكن أن يحدث مثل هذا الحدث.

الموت الحراري للكون. R. Clausius، بالنظر إلى الكون كنظام مغلق، وتطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليه، اختصر كل شيء إلى القول بأن إنتروبيا الكون يجب أن تصل إلى الحد الأقصى. وهذا يعني أن جميع أشكال الحركة يجب أن تتحول إلى حركة حرارية، ونتيجة لذلك ستصبح درجة حرارة جميع الأجسام في الكون متساوية مع مرور الوقت، وسيحدث التوازن الحراري الكامل، وستتوقف جميع العمليات ببساطة: الموت الحراري للكائن الحي. سيحدث الكون.

المعادلة الأساسية للديناميكا الحرارية . تجمع هذه المعادلة بين صيغ القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية:

د س = دو + ص دي في, (3.9)

دعونا نستبدل المعادلة (3.9) التي تعبر عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بالمساواة (3.10):

.

هذا ما هو عليه المعادلة الأساسية للديناميكا الحرارية.

وفي الختام، نلاحظ مرة أخرى أنه إذا كان القانون الأول للديناميكا الحرارية يحتوي على توازن الطاقة للعملية، فإن القانون الثاني يوضح اتجاهها المحتمل.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

تم إنشاء قانون آخر للديناميكا الحرارية في عملية دراسة التغيرات في الإنتروبيا التفاعلات الكيميائيةفي عام 1906 بواسطة ف. نيرنستوم. تسمى نظرية نرنست أو القانون الثالث للديناميكا الحراريةويرتبط بسلوك السعة الحرارية للمواد عند درجات حرارة الصفر المطلق.

نظرية نيرنستتنص على أنه عند الاقتراب من الصفر المطلق، تميل إنتروبيا النظام أيضًا إلى الصفر، بغض النظر عن القيم التي تتخذها جميع المعلمات الأخرى لحالة النظام:

.

منذ الانتروبيا ، ودرجة الحرارة تيميل إلى الصفر، فإن السعة الحرارية للمادة يجب أيضًا أن تميل إلى الصفر، وأسرع من ذلك ت. هذا يعني عدم إمكانية الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلقمع تسلسل محدود من العمليات الديناميكية الحرارية، أي عدد محدود من العمليات - دورات تشغيل آلة التبريد (الصياغة الثانية للقانون الثالث للديناميكا الحرارية).

غازات حقيقية

معادلة فان دير فالس

التغيرات في حالة الغازات المتخلخلة بدرجة كافية درجات حرارة عاليةو الضغوط المنخفضةوصفها قوانين الغاز المثالي. ومع ذلك، مع زيادة الضغط وانخفاض درجة حرارة الغاز الحقيقي، يتم ملاحظة انحرافات كبيرة عن هذه القوانين، وذلك بسبب الاختلافات الكبيرة بين سلوك الغازات الحقيقية والسلوك المنسوب إلى جزيئات الغاز المثالي.

معادلة حالة الغازات الحقيقية يجب أن تأخذ في الاعتبار:

· القيمة النهائية لحجم الجزيئات.

· الجذب المتبادلالجزيئات لبعضها البعض.

لهذا، اقترح J. van der Waals أن يُدرج في معادلة الحالة حجم الوعاء وليس حجمه، كما في معادلة Clapeyron-Mendeleev ( الكهروضوئية = ر.ت)، وحجم مول من الغاز غير مشغول بالجزيئات، أي القيمة ( الخامسم -ب)، أين الخامسم – الحجم المولي. ولمراعاة قوى الجذب بين الجزيئات، أدخل ج. فان دير فالس تصحيحًا للضغط المتضمن في معادلة الحالة.

من خلال إدخال التصحيحات المتعلقة بمراعاة الحجم الجوهري للجزيئات (قوى التنافر) وقوى الجذب في معادلة كلابيرون-منديليف، نحصل على معادلة حالة المول من الغاز الحقيقيمثل:

.

هذا معادلة فان دير فالس، فيه الثوابت أو بيملك معنى مختلفللغازات المختلفة .

العمل المختبري

§6 الإنتروبيا

عادة أي عملية ينتقل فيها نظام من حالة إلى أخرى تتم بشكل يستحيل معه تنفيذ هذه العملية في الاتجاه المعاكس بحيث يمر النظام بنفس الحالات الوسيطة دون حدوث أي تغيرات في الأجسام المحيطة . ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه أثناء العملية يتم تبديد جزء من الطاقة، على سبيل المثال، بسبب الاحتكاك والإشعاع وما إلى ذلك. تقريبا جميع العمليات في الطبيعة لا رجعة فيها. في أي عملية، يتم فقدان بعض الطاقة. لتوصيف تبديد الطاقة، تم تقديم مفهوم الإنتروبيا. ( تتميز قيمة الانتروبياالحالة الحرارية للنظام وتحدد احتمالية تنفيذ حالة معينة من الجسم. كلما زادت احتمالية حدوث حالة معينة، زادت الإنتروبيا.) الكل العمليات الطبيعيةيرافقه زيادة في الانتروبيا. تظل الإنتروبيا ثابتة فقط في حالة حدوث عملية عكسية مثالية في نظام مغلق، أي في نظام لا يوجد فيه تبادل للطاقة مع أجسام خارج هذا النظام.

الإنتروبيا ومعناها الديناميكي الحراري:

إنتروبيا- هذه دالة لحالة النظام، حيث يكون التغير المتناهي الصغر في عملية عكسية مساويًا لنسبة الكمية المتناهية الصغر من الحرارة المدخلة في هذه العملية إلى درجة الحرارة التي تم إدخالها فيها.

في عملية عكسية نهائية، يمكن حساب التغير في الإنتروبيا باستخدام الصيغة:

حيث يتم أخذ التكامل من الحالة الأولية 1 للنظام إلى الحالة النهائية 2.

وبما أن الإنتروبيا هي دالة للحالة، فهي خاصية التكاملهو استقلاله عن شكل الكفاف (المسار) الذي يتم حسابه عليه؛ لذلك، يتم تحديد التكامل فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام.

• في أي عملية عكسية، يكون التغير في الإنتروبيا 0

(1)

• وقد ثبت ذلك في الديناميكا الحراريةسنظام يمر بدورة لا رجعة فيها الزيادات

Δ س> 0 (2)

التعبيران (1) و (2) يتعلقان فقط بالأنظمة المغلقة، أما إذا تبادل النظام الحرارة مع بيئة خارجية، ثم لهاسيمكن أن تتصرف بأي شكل من الأشكال.

يمكن تمثيل العلاقات (1) و (2) على أنها متباينة كلاوسيوس

ΔS ≥ 0

أولئك. يمكن أن تزيد إنتروبيا النظام المغلق (في حالة العمليات غير القابلة للانعكاس) أو تظل ثابتة (في حالة العمليات القابلة للعكس).

إذا قام النظام بانتقال التوازن من الحالة 1 إلى الحالة 2، فإن الإنتروبيا تتغير

أين دوو أهو مكتوب لعملية محددة. وفقا لهذه الصيغة Δسيتم تحديده حتى ثابت مضاف. ليست الإنتروبيا بحد ذاتها هي التي لها معنى فيزيائي، بل الفرق في الإنتروبيا. دعونا نوجد التغير في الإنتروبيا في عمليات الغاز المثالي.

أولئك. تغييرات الانتروبياس Δ س 1→2 لا يعتمد تكوين الغاز المثالي أثناء انتقاله من الحالة 1 إلى الحالة 2 على نوع العملية.

لأن لعملية أداباتيكية δس = 0، ثم Δ س= 0 => س= ثابت أي أن عملية عكسية ثابتة الحرارة تحدث عند إنتروبيا ثابتة. ولهذا السبب يطلق عليه متساوي الانتروبيا.

في عملية متساوية الحرارة (ت= ثابت ; ت 1 = ت 2 : )

في عملية متساوية (الخامس= ثابت ; الخامس 1 = الخامس 2 ; )

الإنتروبيا لها خاصية الجمع: إنتروبيا النظام تساوي مجموع إنتروبيا الأجسام الموجودة في النظام.س = س 1 + س 2 + س 3 + ... الفرق النوعي بين الحركة الحرارية للجزيئات وأشكال الحركة الأخرى هو عشوائيتها واضطرابها. ولذلك، لتوصيف الحركة الحرارية، فمن الضروري إدخال مقياس كمي لدرجة الاضطراب الجزيئي. إذا نظرنا إلى أي حالة عيانية معينة لجسم ما مع قيم متوسطة معينة من المعلمات، فهو شيء آخر غير التغيير المستمر في الخلايا المجهرية القريبة التي تختلف عن بعضها البعض في توزيع الجزيئات في اجزاء مختلفةالحجم والطاقة الموزعة بين الجزيئات. عدد هذه الحالات الميكروية المتغيرة باستمرار يحدد درجة اضطراب الحالة العيانية للنظام بأكمله،ثيسمى الاحتمال الديناميكي الحراري لحالة ميكروية معينة. الاحتمال الديناميكي الحراريثحالة النظام هي عدد الطرق التي يمكن من خلالها تحقيق حالة معينة من النظام العياني، أو عدد الولايات المجهرية التي تنفذ حالة ميكروسكوبية معينة (ث≥ 1، و الاحتمال الرياضي ≤ 1 ).

وكمقياس لمفاجأة حدث ما، تم الاتفاق على أخذ لوغاريتم احتماله، مأخوذًا بعلامة الطرح: مفاجأة الحالة تساوي =-

وفقا لبولتزمان، الإنتروبياسترتبط الأنظمة والاحتمالات الديناميكية الحرارية ببعضها البعض على النحو التالي:

أين - ثابت بولتزمان (). وبالتالي، يتم تحديد الإنتروبيا من خلال لوغاريتم عدد الحالات التي يمكن من خلالها تحقيق حالة ميكروية معينة. يمكن اعتبار الإنتروبيا مقياسًا لاحتمالية حالة نظام t/d. تسمح لنا صيغة بولتزمان بإعطاء الإنتروبيا التفسير الإحصائي التالي. الانتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. في الواقع، كلما زاد عدد الدول الميكروية التي تحقق حالة ميكروية معينة، زادت الإنتروبيا. في حالة توازن النظام - الحالة الأكثر احتمالية للنظام - يكون عدد الحالات الدقيقة هو الحد الأقصى، والإنتروبيا هي أيضًا الحد الأقصى.

لأن العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، فمن الممكن القول بأن جميع العمليات في نظام مغلق تؤدي إلى زيادة في الإنتروبيا - مبدأ زيادة الإنتروبيا. في التفسير الإحصائي للإنتروبيا، يعني هذا أن العمليات في نظام مغلق تسير في اتجاه زيادة عدد الحالات الميكروية، وبعبارة أخرى، من الحالات الأقل احتمالا إلى الحالات الأكثر احتمالا، حتى يصبح احتمال الحالة الحد الأقصى.

§7 القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية، الذي يعبر عن قانون الحفاظ على الطاقة وتحول الطاقة، لا يسمح لنا بتحديد اتجاه تدفق العمليات t/d. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمرء أن يتخيل العديد من العمليات التي لا تتعارضأناإلى البداية t/d، حيث يتم حفظ الطاقة، لكنها لا تتحقق في الطبيعة. الصيغ المحتملة للبداية الثانية t/d:

1) قانون زيادة إنتروبيا النظام المغلق خلال عمليات لا رجعة فيها: أي عملية لا رجعة فيها في نظام مغلق تحدث بطريقة تزيد إنتروبيا النظام Δس≥ 0 (عملية لا رجعة فيها) 2) Δس≥ 0 (س= 0 للعكس و Δس≥ 0 لعملية لا رجعة فيها)

في العمليات التي تحدث في نظام مغلق، لا تنخفض الإنتروبيا.

2) من صيغة بولتزمانس =، وبالتالي، فإن الزيادة في الإنتروبيا تعني انتقال النظام من حالة أقل احتمالا إلى حالة أكثر احتمالا.

3) حسب كلفن: العملية الدائرية غير ممكنة، ونتيجتها الوحيدة هي تحويل الحرارة الواردة من المدفأة إلى شغل معادل لها.

4) عند كلوسيوس: العملية الدائرية غير ممكنة، ونتيجتها الوحيدة هي انتقال الحرارة من جسم أقل حرارة إلى جسم أكثر حرارة.

لوصف أنظمة t/d عند 0 K، يتم استخدام نظرية نيرنست بلانك (القانون الثالث لـ t/d): تميل إنتروبيا جميع الأجسام في حالة التوازن إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من 0 K

من النظرية نيرنست بلانك يتبع ذلكجع = جت = 0 عند 0 ل

§8 آلات الحرارة والتبريد.

دورة كارنو وكفاءتها

ومن صياغة القانون الثاني لـ t/d وفقًا لكلفن، يترتب على ذلك أن آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني مستحيلة. (آلة الحركة الدائمة هي محرك يعمل بشكل دوري ويؤدي العمل عن طريق تبريد مصدر حراري واحد.)

منظم الحرارههو نظام t/d يمكنه تبادل الحرارة مع الأجسام دون تغيير درجة الحرارة.

مبدأ تشغيل المحرك الحراري: من منظم الحرارة مع درجة الحرارة ت 1- السخان، يتم إزالة كمية الحرارة في كل دورةس 1 ، والترموستات مع درجة الحرارة ت 2 (ت 2 < ت 1)- إلى الثلاجة تنتقل كمية الحرارة في كل دورةس 2 ، بينما يتم العمل أ = س 1 - س 2

عملية دائرية أو دورةهي عملية يعود فيها النظام، بعد مروره بسلسلة من الحالات، إلى حالته الأصلية. في مخطط الحالة، يتم تصوير الدورة على أنها منحنى مغلق. تم تنفيذ الدورة غاز مثالي، ويمكن تقسيمها إلى عمليتي التمدد (1-2) والضغط (2-1)، ويكون عمل التوسيع إيجابيا أ 1-2> 0، لأنالخامس 2 > الخامس 1 ، عمل الضغط سلبي أ 1-2 < 0, т.к. الخامس 2 < الخامس 1 . وبالتالي، فإن الشغل الذي يبذله الغاز في كل دورة يتحدد بالمساحة التي يغطيها المنحنى المغلق 1-2-1. إذا تم القيام بعمل إيجابي خلال دورة (دورة في اتجاه عقارب الساعة)، فسيتم استدعاء الدورة للأمام، إذا كانت دورة عكسية (تحدث الدورة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة).

دورة مباشرةالمستخدمة في المحركات الحرارية - المحركات التي تعمل بشكل دوري والتي تؤدي العمل باستخدام الحرارة الواردة من الخارج. يتم استخدام الدورة العكسية في آلات التبريد - وهي منشآت تعمل بشكل دوري حيث يتم نقل الحرارة إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى بسبب عمل القوى الخارجية.

ونتيجة للعملية الدائرية، يعود النظام إلى حالته الأصلية، وبالتالي يكون التغير الإجمالي في الطاقة الداخلية صفرًا. ثمІ ابدأ t/d للعملية الدائرية

س= Δ ش+ أ= أ,

أي أن الشغل المبذول في كل دورة يساوي كمية الحرارة الواردة من الخارج، ولكن

س= س 1 - س 2

س 1 - الكمية الحرارة التي يتلقاها النظام ،

س 2 - الكمية الحرارة المنبعثة من النظام.

الكفاءة الحراريةللعملية الدائرية تساوي نسبة الشغل الذي يبذله النظام إلى كمية الحرارة الموردة إلى النظام:

بالنسبة إلى η = 1، يجب استيفاء الشرطس 2 = 0، أي يجب أن يكون للمحرك الحراري مصدر حراري واحدس 1 ولكن هذا يتعارض مع القانون الثاني لـ t/d.

يتم استخدام العملية العكسية التي تحدث في المحرك الحراري في آلة التبريد.

من منظم الحرارة مع درجة الحرارة ت 2 يتم أخذ كمية من الحرارةس 2 وينتقل إلى منظم الحرارة مع درجة الحرارةت 1 ‎كمية الحرارةس 1 .

س= س 2 - س 1 < 0, следовательно أ< 0.

بدون بذل شغل، من المستحيل أخذ الحرارة من جسم أقل حرارة وإعطائها إلى جسم أكثر سخونة.

بناءً على القانون الثاني لـ t/d، اشتق كارنو نظرية.

نظرية كارنو: من جميع المحركات الحرارية التي تعمل بشكل دوري ولها نفس درجات حرارة السخان ( ت 1) والثلاجات ( ت 2) أعلى كفاءة. لديها آلات عكسها. كفاءة آلات عكسها على قدم المساواة ت 1 و ت 2 ـ متساوية ولا تعتمد على طبيعة سائل العمل.

الجسم العامل هو الجسم الذي يقوم بعملية دائرية ويتبادل الطاقة مع الأجسام الأخرى.

دورة كارنو هي دورة عكسية وأكثر اقتصادا، وتتكون من 2 متساوي الحرارة و 2 أديابات.

1-2 التوسع متساوي الحرارة عند ت 1 سخان؛ يتم توفير الحرارة للغازس 1 ويتم العمل

2-3 - الأديبات. التوسع، والغاز لا يعملأ 2-3 >0 فوق الهيئات الخارجية.

3-4 ضغط متساوي الحرارة عند ت 2 ثلاجات؛ تتم إزالة الحرارةس 2 ويتم العمل;

4-1- الضغط الأديابي، ويتم العمل على الغازأ 4-1 <0 внешними телами.

في عملية متساوية الحرارةش= ثابت، لذلك س 1 = أ 12

1

أثناء التوسع الأديباتيس 2-3 = 0، وعمل الغاز أ 23 يتم إنجازه بواسطة الطاقة الداخليةأ23 = - ش

كمية الحرارةس 2 ، فإن الغاز الذي يُعطى للثلاجة أثناء الضغط متساوي الحرارة يساوي عمل الضغط أ 3-4

2

عمل الضغط الأديابي

العمل المنجز نتيجة لعملية دائرية

أ = أ 12 + أ 23 + أ 34 + أ 41 = س 1 + أ 23 - س 2 - أ 23 = س 1 - س 2

وتساوي مساحة المنحنى 1-2-3-4-1.

الكفاءة الحرارية دورة كارنو

من المعادلة الأديباتية للعمليات 2-3 و3-4 نحصل عليها

ثم

أولئك. كفاءة يتم تحديد دورة كارنو فقط من خلال درجات حرارة المدفأة والثلاجة. لزيادة الكفاءة بحاجة إلى زيادة الفرق ت 1 - ت 2 .

******************************************************* ******************************************************

في الرسم التوضيحي على اليسار:احتجاج المحافظين المسيحيين ضد القانون الثاني للديناميكا الحرارية. النقوش على الملصقات: تم شطب كلمة "إنتروبيا"؛ "أنا لا أقبل المبادئ الأساسية للعلم والتصويت".

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومسائل الخلق

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اجتمعت مجموعة من المحافظين المسيحيين على درجات مبنى الكابيتول (كانساس، الولايات المتحدة الأمريكية) للمطالبة بإلغاء مبدأ علمي أساسي - القانون الثاني للديناميكا الحرارية (انظر الصورة على اليسار). وكان السبب في ذلك هو قناعتهم بأن هذا القانون الفيزيائي يتناقض مع إيمانهم بالخالق، لأنه يتنبأ بالموت الحراري للكون. وقال المعتصمون إنهم لا يريدون العيش في عالم يتحرك نحو مثل هذا المستقبل وتعليم أطفالهم ذلك. إن قيادة الحملة ضد القانون الثاني للديناميكا الحرارية ليس سوى عضو مجلس الشيوخ عن ولاية كانساس، الذي يعتقد أن القانون "يهدد فهم أطفالنا للكون كعالم خلقه إله خيّر ومحب".

إنه أمر متناقض، ولكن في نفس الولايات المتحدة الأمريكية، هناك حركة مسيحية أخرى - الخلقيون، بقيادة دوان غيش، رئيس معهد أبحاث الخلق - على العكس من ذلك، لا تعتبر القانون الثاني للديناميكا الحرارية علميًا فحسب، بل تناشده بحماس أيضًا إثبات أن العالم خلقه الله . إحدى حججهم الرئيسية هي أن الحياة لا يمكن أن تنشأ تلقائيا، لأن كل شيء حولها عرضة للتدمير التلقائي بدلا من الخلق.

وأمام هذا التناقض الصارخ بين هاتين الحركتين المسيحيتين، يطرح سؤال منطقي: أيهما على حق؟ وهل هناك من هو على حق؟

في هذه المقالةسننظر أين يمكن وأين يستحيل تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية ومدى ارتباطه بقضايا الإيمان بالخالق.

ما هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟

الديناميكا الحراريةهو فرع من فروع الفيزياء يدرس العلاقات والتحولات بين الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. ويستند إلى عدة مبادئ أساسية تسمى مبادئ (أحيانًا قوانين) الديناميكا الحرارية. ومن بينها، ربما يكون الأكثر شهرة هو المبدأ الثاني.

إذا ألقينا نظرة سريعة على جميع مبادئ الديناميكا الحرارية، فهي باختصار كما يلي: البداية الأولىيمثل قانون الحفاظ على الطاقة كما هو مطبق على الأنظمة الديناميكية الحرارية. وجوهرها هو أن الحرارة هي شكل خاص من أشكال الطاقة ويجب أخذها بعين الاعتبار في قانون حفظ وتحويل الطاقة. البداية الثانيةيفرض قيودًا على اتجاه العمليات الديناميكية الحرارية، ويحظر الانتقال التلقائي للحرارة من الأجسام الأقل تسخينًا إلى الأجسام الأكثر تسخينًا. ويترتب على ذلك أيضًا أنه من المستحيل تحويل الحرارة إلى عمل بكفاءة مائة بالمائة (الخسائر التي تلحق بالبيئة أمر لا مفر منه). وهذا يجعل من المستحيل إنشاء آلة ذات حركة أبدية بناءً على ذلك. البداية الثالثةينص على أنه من المستحيل خفض درجة حرارة أي جسم مادي إلى الصفر المطلق في وقت محدد، أي أن الصفر المطلق لا يمكن تحقيقه. البداية صفر (أو مشترك).يُشار إليه أحيانًا بالمبدأ الذي بموجبه يصل النظام المعزول، بغض النظر عن حالته الأولية، في النهاية إلى حالة من التوازن الديناميكي الحراري ولا يمكنه تركها بمفردها. التوازن الديناميكي الحراري هو الحالة التي لا يحدث فيها انتقال للحرارة من جزء من النظام إلى آخر. (يرد أدناه تعريف النظام المعزول.)

القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بالإضافة إلى القانون المذكور أعلاه، له صيغ أخرى. وكل ما ذكرناه من أحاديث الخلق يدور حول واحد منها. وترتبط هذه الصيغة بمفهوم الإنتروبيا الذي يجب أن نتعرف عليه.

إنتروبيا(حسب أحد التعريفات) هو مؤشر على اضطراب أو فوضى النظام. بعبارات بسيطة، كلما زادت الفوضى في النظام، زادت الإنتروبيا. بالنسبة للأنظمة الديناميكية الحرارية، كلما ارتفعت الإنتروبيا، زادت فوضوية حركة جزيئات المواد التي يتكون منها النظام (على سبيل المثال، الجزيئات).

بمرور الوقت، أدرك العلماء أن الإنتروبيا هي مفهوم أوسع ويمكن تطبيقه ليس فقط على الأنظمة الديناميكية الحرارية. بشكل عام، أي نظام لديه قدر معين من الفوضى، والتي يمكن أن تتغير - زيادة أو نقصان. في هذه الحالة، من المناسب الحديث عن الإنتروبيا. وهنا بعض الأمثلة:

· كاس من الماء.إذا تجمد الماء وتحول إلى جليد، فإن جزيئاته متصلة بشبكة بلورية. يتوافق هذا مع نظام أكبر (أنتروبيا أقل) من الحالة التي يكون فيها الماء قد ذاب وتتحرك الجزيئات بشكل عشوائي. ومع ذلك، بعد ذوبانه، لا يزال الماء يحتفظ بشكل ما - الزجاج الذي يقع فيه. إذا تم تبخر الماء، فإن الجزيئات تتحرك بشكل أكثر كثافة وتحتل الحجم الكامل المقدم لها، وتتحرك بشكل أكثر فوضوية. وبالتالي، فإن الإنتروبيا تزداد أكثر.

· النظام الشمسي.يمكنك أيضًا ملاحظة النظام والفوضى فيه. تتحرك الكواكب في مداراتها بدقة كبيرة بحيث يستطيع علماء الفلك التنبؤ بموقعها في أي وقت قبل آلاف السنين. ومع ذلك، هناك العديد من أحزمة الكويكبات في النظام الشمسي التي تتحرك بشكل أكثر فوضوية، فهي تصطدم وتتفكك وتسقط أحيانًا على كواكب أخرى. وفقًا لعلماء الكونيات، كان النظام الشمسي بأكمله (باستثناء الشمس نفسها) مليئًا في البداية بمثل هذه الكويكبات، والتي تشكلت منها الكواكب الصلبة لاحقًا، وكانت هذه الكويكبات تتحرك بشكل أكثر فوضوية من الآن. إذا كان هذا صحيحا، فإن إنتروبيا النظام الشمسي (باستثناء الشمس نفسها) كانت أعلى في الأصل.

· المجرة.تتكون المجرة من نجوم تتحرك حول مركزها. ولكن حتى هنا يوجد قدر معين من الفوضى: تتصادم النجوم أحيانًا، وتغير اتجاه حركتها، وبسبب التأثير المتبادل، لا تكون مداراتها مثالية، وتتغير بطريقة فوضوية إلى حد ما. لذا فإن الإنتروبيا في هذا النظام ليست صفرًا.

· غرفة الاطفال.غالبًا ما يتعين على أولئك الذين لديهم أطفال صغار أن يلاحظوا الزيادة في الإنتروبيا بأعينهم. بعد الانتهاء من التنظيف، أصبحت الشقة في حالة نسبية. ومع ذلك، فإن بضع ساعات (وأحيانًا أقل) من بقاء طفل أو طفلين هناك في حالة من اليقظة تكفي لزيادة إنتروبيا هذه الشقة بشكل ملحوظ...

إذا كان المثال الأخير جعلك تبتسم، فمن المرجح أنك تفهم ما هو الإنتروبيا.

وبالعودة إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، فلنتذكر أنه، كما قلنا، له صيغة أخرى ترتبط بمفهوم الإنتروبيا. يبدو مثل هذا: في نظام معزول، لا يمكن للإنتروبيا أن تنخفض. بمعنى آخر، في أي نظام معزول تمامًا عن العالم المحيط، لا يمكن للفوضى أن تنخفض تلقائيًا: بل يمكنها فقط أن تتزايد أو، في الحالات القصوى، تبقى على نفس المستوى.

إذا وضعت مكعبًا من الثلج في غرفة دافئة ومغلقة، فسوف يذوب بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، فإن بركة الماء الناتجة في هذه الغرفة لن تتحلل مرة أخرى إلى مكعب ثلج. افتح زجاجة عطر هناك وسوف تنتشر الرائحة في جميع أنحاء الغرفة. لكن لا شيء سيجعله يعود إلى الزجاجة. أشعل شمعة هناك وسوف تحترق، لكن لا شيء سيجعل الدخان يعود إلى شمعة. تتميز كل هذه العمليات بالاتجاهية واللارجعة. السبب وراء عدم رجعة العمليات التي تحدث ليس فقط في هذه الغرفة، ولكن في جميع أنحاء الكون بأكمله، يكمن بالتحديد في القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

على ماذا ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟

ومع ذلك، فإن هذا القانون، على الرغم من بساطته الظاهرة، هو أحد أصعب قوانين الفيزياء الكلاسيكية والتي غالبًا ما يُساء فهمها. والحقيقة هي أنه في صياغتها هناك كلمة واحدة لا تحظى في بعض الأحيان باهتمام كافٍ - وهي كلمة "معزولة". وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن للإنتروبيا (الفوضى) أن تنخفض إلا في الأنظمة المعزولة. هذا هو القانون. ومع ذلك، في الأنظمة الأخرى، لم يعد هذا قانونًا، ويمكن للإنتروبيا فيها أن تزيد أو تنقص.

ما هو النظام المعزول؟ دعونا نلقي نظرة على أنواع الأنظمة الموجودة بشكل عام من وجهة نظر الديناميكا الحرارية:

· يفتح.هذه هي الأنظمة التي تتبادل المادة (وربما الطاقة) مع العالم الخارجي. مثال: السيارة (تستهلك البنزين، الهواء، تنتج الحرارة).

· مغلق.وهي أنظمة لا تتبادل المادة مع العالم الخارجي، بل يمكنها تبادل الطاقة معه. مثال: سفينة الفضاء (مغلقة، ولكنها تمتص الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الشمسية).

· معزولة (مغلقة).هذه أنظمة لا تتبادل المادة أو الطاقة مع العالم الخارجي. مثال: الترمس (مغلق ويحتفظ بالحرارة).

كما لاحظنا، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على ثلث أنواع الأنظمة المدرجة.

وللتوضيح، دعونا نتذكر نظامًا يتكون من غرفة دافئة مغلقة وقطعة من الجليد ذابت أثناء وجودها فيها. في الحالة المثالية، كان هذا يتوافق مع نظام معزول، مما أدى إلى زيادة إنتروبيا. ومع ذلك، فلنتخيل الآن أن الجو شديد البرودة في الخارج، وفتحنا النافذة. أصبح النظام مفتوحًا: بدأ الهواء البارد يتدفق إلى الغرفة، وانخفضت درجة الحرارة في الغرفة إلى ما دون الصفر، وتجمدت قطعة الجليد لدينا مرة أخرى، والتي كانت قد تحولت سابقًا إلى بركة.

في الحياة الواقعية، الغرفة المغلقة ليست نظامًا معزولًا، لأنه في الواقع، يسمح الزجاج وحتى الطوب بمرور الحرارة. والحرارة، كما ذكرنا أعلاه، هي أيضًا شكل من أشكال الطاقة. ولذلك، فإن الغرفة المغلقة ليست في الواقع غرفة معزولة، ولكنها نظام مغلق. حتى لو أغلقنا جميع النوافذ والأبواب بإحكام، فإن الحرارة ستظل تغادر الغرفة تدريجيًا، وسوف تتجمد وستتحول بركةنا أيضًا إلى جليد.

مثال آخر مشابه هو غرفة بها ثلاجة. أثناء إيقاف تشغيل الفريزر، تكون درجة حرارته هي نفس درجة حرارة الغرفة. ولكن بمجرد تشغيله، سيبدأ في التبريد، وسيبدأ إنتروبيا النظام في الانخفاض. يصبح هذا ممكنا لأن مثل هذا النظام أصبح مغلقا، أي أنه يستهلك الطاقة من البيئة (في هذه الحالة، الكهربائية).

يشار إلى أنه في الحالة الأولى (غرفة بها قطعة من الجليد)، أطلق النظام الطاقة إلى البيئة، وفي الحالة الثانية (غرفة بها ثلاجة)، على العكس من ذلك، استقبلها. ومع ذلك، انخفضت الإنتروبيا في كلا النظامين. وهذا يعني أنه لكي يتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل كقانون ثابت، في الحالة العامة، ليس اتجاه نقل الطاقة هو المهم، ولكن وجود حقيقة هذا النقل بين النظام و العالم الخارجي.

أمثلة على انخفاض الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية.أمثلة الأنظمة التي تمت مناقشتها أعلاه تم إنشاؤها بواسطة الإنسان. هل هناك أي أمثلة على انخفاض الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية دون مشاركة العقل؟ نعم، بقدر ما تريد.

	رقاقات الثلج.أثناء تكوينها، تتحد جزيئات بخار الماء المتحركة بشكل عشوائي لتشكل بلورة منظمة. في هذه الحالة، يحدث التبريد، أي يتم إطلاق الطاقة في البيئة، وتحتل الذرات موقعًا أكثر ملاءمة لها من حيث الطاقة. تتوافق الشبكة البلورية لندفة الثلج مع نظام أكبر من جزيئات البخار المتحركة بشكل عشوائي.
	بلورات الملح.وقد لوحظت عملية مماثلة في تجربة قد يتذكرها الكثيرون من سنوات دراستهم. يتم إنزال الخيط في كوب بمحلول ملح مركز (على سبيل المثال، ملح الطعام أو كبريتات النحاس)، وسرعان ما تشكل جزيئات الملح المذابة بشكل فوضوي أشكالًا جميلة ذات شكل غريب.
	فولغوريت.فولغوريت هو شكل يتكون من الرمال عندما يضرب البرق الأرض. في هذه العملية، يتم امتصاص الطاقة (التيار الكهربائي البرقي)، مما يؤدي إلى ذوبان الرمال، والتي تتصلب لاحقًا إلى شكل صلب، وهو ما يتوافق مع نظام أكبر من الرمال المتناثرة بشكل فوضوي.
	الطحلب البطي على البركة.عادة، طحلب البط الذي ينمو على سطح البركة، إذا كان هناك ما يكفي منه، يميل إلى احتلال مساحة البركة بأكملها. حاول أن تدفع طحلب البط بيديك، وفي دقيقة واحدة ستعود إلى مكانها. ومع ذلك، عندما تهب الرياح (في بعض الأحيان بالكاد يمكن إدراكها)، تتراكم طحالب البط في جزء واحد من البركة وتكون هناك في حالة "مضغوطة". تنخفض الإنتروبيا بسبب امتصاص طاقة الرياح.
	تكوين المركبات النيتروجينية.في كل عام، تحدث حوالي 16 مليون عاصفة رعدية في الغلاف الجوي للكرة الأرضية، وخلال كل منها هناك عشرات ومئات من الصواعق. أثناء ومضات البرق، تتشكل المكونات البسيطة للغلاف الجوي - النيتروجين والأكسجين والرطوبة - إلى مركبات نيتروجين أكثر تعقيدًا ضرورية لنمو النبات. يحدث الانخفاض في الإنتروبيا في هذه الحالة بسبب امتصاص طاقة تفريغ البرق الكهربائي.
	رد فعل بتليروف.تُعرف هذه العملية الكيميائية أيضًا باسم التوليف التحفيزي الذاتي. فيه، تنمو جزيئات السكر المركبة المعقدة في بيئة معينة من تلقاء نفسها، مما يؤدي إلى ظهور نوعها الخاص في تقدم هندسي. ويرجع ذلك إلى الخصائص الكيميائية لهذه الجزيئات. ترتيب التركيب الكيميائي، وبالتالي تقليل الفوضى، في تفاعل بتليروف يحدث أيضًا بسبب تبادل الطاقة مع البيئة.
	البراكين.تتحرك جزيئات الصهارة بشكل عشوائي، وتندلع إلى السطح، وتتصلب في شبكة بلورية وتشكل جبالًا بركانية وصخورًا ذات شكل معقد. إذا اعتبرنا الصهارة نظامًا ديناميكيًا حراريًا، فإن إنتروبيا تقل بسبب إطلاق الطاقة الحرارية في البيئة.
	تكوين الأوزون.الحالة الأكثر ملاءمة للطاقة لجزيئات الأكسجين هي O 2 . ومع ذلك، تحت تأثير الإشعاع الكوني الصلب، يتم تحويل عدد كبير من الجزيئات إلى الأوزون (O 3) ويمكن أن تبقى فيه لفترة طويلة. وتستمر هذه العملية بشكل مستمر طالما يوجد أكسجين حر في الغلاف الجوي للأرض.
	حفرة في الرمال.يعلم الجميع مدى قذارة المياه في أنهارنا: فهي تحتوي على القمامة والطحالب وما إلى ذلك، وكلها مختلطة. ولكن بجانب الشاطئ توجد حفرة صغيرة في الرمال، ولا يصب فيها الماء، بل يتسرب من خلالها. في الوقت نفسه، يتم تصفيته: يتم تقسيم المياه الملوثة بشكل موحد إلى مياه نظيفة وحتى قذرة. من الواضح أن الإنتروبيا تتناقص، ويحدث هذا بسبب قوة الجاذبية، التي بسبب اختلاف المستويات، تجبر الماء على التسرب من النهر إلى الحفرة.
	بركة صغيرة.نعم، نعم، بركة بسيطة تركت بعد المطر توضح أيضًا أن الإنتروبيا يمكن أن تنخفض تلقائيًا! وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من الأجسام الأقل حرارة إلى الأجسام الأكثر تسخينًا. ومع ذلك، فإن درجة حرارة الماء في البركة تظل باستمرار أقل بعدة درجات من درجة حرارة التربة والهواء المحيط (يمكنك التحقق من ذلك في المنزل باستخدام صحن ماء ومقياس حرارة؛ ومقياس رطوبة يتكون من مقياس جاف ومقياس حرارة). يعتمد مقياس الحرارة الرطب أيضًا على هذا المبدأ). لماذا؟ لأن البركة تتبخر، حيث تنفصل الجزيئات الأسرع عن سطحها وتتبخر، بينما تبقى الجزيئات الأبطأ. وبما أن درجة الحرارة مرتبطة بسرعة الحركة الجزيئية، فقد اتضح أن البركة تبرد ذاتيًا باستمرار بالنسبة للبيئة الأكثر دفئًا. وبالتالي فإن البركة عبارة عن نظام مفتوح، لأنه لا يتبادل الطاقة فحسب، بل يتبادل المادة أيضًا مع البيئة، ومن الواضح أن العمليات الموجودة فيه تسير في الاتجاه المعاكس لما يشير إليه القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إذا كنت ذكيًا وتقضي القليل من الوقت، فيمكنك تذكر وكتابة الآلاف من الأمثلة المشابهة. من المهم أن نلاحظ أنه في العديد من الحالات المذكورة، فإن انخفاض الإنتروبيا ليس حادثًا معزولًا، بل هو نمط - الاتجاه نحوه متأصل في بناء مثل هذه الأنظمة. ولذلك، فهو يحدث في كل مرة تنشأ فيها الظروف المناسبة، ويمكن أن يستمر لفترة طويلة جدًا - ما دامت هذه الظروف موجودة. كل هذه الأمثلة لا تتطلب وجود آليات معقدة تقلل من الإنتروبيا، ولا تدخل العقل.

بالطبع، إذا لم يكن النظام معزولا، فليس من الضروري على الإطلاق أن تنخفض الإنتروبيا فيه. بل على العكس من ذلك، فهي زيادة في الإنتروبيا، أي زيادة في الفوضى، تحدث بشكل عفوي في كثير من الأحيان. على أية حال، نحن معتادون على حقيقة أن أي شيء يُترك دون إشراف أو رعاية، كقاعدة عامة، يتدهور ويصبح غير قابل للاستخدام، بدلاً من تحسينه. يمكن للمرء أن يقول حتى أن هذه خاصية أساسية معينة للعالم المادي - الرغبة في التدهور التلقائي، والميل العام إلى زيادة الإنتروبيا.

إلا أن هذا العنوان الفرعي قد بين أن هذا الاتجاه العام لا يكون قانونًا إلا في الأنظمة المعزولة. في الأنظمة الأخرى، لا تعد الزيادة في الإنتروبيا قانونًا - فكل شيء يعتمد على خصائص نظام معين والظروف التي يوجد فيها. لا يمكن تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليهم بحكم التعريف. وحتى لو زادت الإنتروبيا في أحد الأنظمة المفتوحة أو المغلقة، فإن هذا لا يعد تحقيقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، بل مجرد مظهر من مظاهر الميل العام إلى زيادة الإنتروبيا، وهو ما يميز العالم المادي ككل، ولكنه بعيدا عن المطلق.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية وكوننا

عندما ينظر مراقب متحمس إلى السماء المرصعة بالنجوم، وكذلك عندما ينظر إليها عالم فلك ذو خبرة من خلال التلسكوب، فيمكنهما ملاحظة ليس فقط جمالها، ولكن أيضًا النظام المذهل الذي يسود هذا العالم الكبير.

ولكن هل يمكن استخدام هذا الترتيب لإثبات أن الله خلق الكون؟ هل يصح استخدام هذا المنطق: بما أن الكون لم يقع في الفوضى وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فهل هذا يثبت أنه خاضع لسيطرة الله؟

ربما كنت معتادًا على التفكير بنعم. ولكن في الواقع، خلافا للاعتقاد السائد، لا. بتعبير أدق، في هذا الصدد، من الممكن والضروري استخدام أدلة مختلفة قليلا، ولكن ليس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

أولاًلم يثبت بعد أن الكون نظام معزول. على الرغم من أنه لم يتم إثبات العكس بالطبع، إلا أنه ليس من الممكن حتى الآن القول بشكل لا لبس فيه أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يمكن تطبيقه عليها ككل.

لكن لنفترض أن عزلة الكون كنظام سيتم إثباتها في المستقبل (وهذا أمر ممكن تمامًا). ماذا بعد؟

ثانيًا، القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يقول ما الذي سيسود بالضبط في نظام معين - النظام أو الفوضى. القانون الثاني يقول في أي اتجاه سيتغير هذا النظام أو الاضطراب - في نظام معزول، ستزداد الفوضى. وفي أي اتجاه يتغير الترتيب في الكون؟ إذا تحدثنا عن الكون ككل، فإن الفوضى تتزايد فيه (وكذلك الإنتروبيا). من المهم هنا عدم الخلط بين الكون والنجوم الفردية أو المجرات أو مجموعاتها. المجرات الفردية (مثل مجرتنا درب التبانة) يمكن أن تكون هياكل مستقرة للغاية ويبدو أنها لا تتحلل على الإطلاق على مدى ملايين السنين. لكنها ليست أنظمة معزولة: فهي تشع الطاقة باستمرار (مثل الضوء والحرارة) إلى الفضاء المحيط. تحترق النجوم وتنبعث منها باستمرار المادة ("الرياح الشمسية") إلى الفضاء بين النجوم. بفضل هذا، تحدث عملية مستمرة لتحويل المادة المنظمة للنجوم والمجرات إلى طاقة وغاز متناثرة بشكل فوضوي. ما هذا إن لم يكن زيادة في الإنتروبيا؟

وبطبيعة الحال، تحدث عمليات التحلل هذه بمعدل بطيء جدًا، لذا يبدو أننا لا نشعر بها. ولكن إذا تمكنا من مراقبتها بوتيرة متسارعة للغاية - على سبيل المثال، أسرع بتريليون مرة، فسوف تتكشف أمام أعيننا صورة دراماتيكية للغاية لميلاد النجوم وموتها. ومن الجدير بالذكر أن الجيل الأول من النجوم الذي كان موجودًا منذ بداية الكون قد مات بالفعل. وفقا لعلماء الكونيات، يتكون كوكبنا من بقايا وجود وانفجار نجم محترق ذات يوم؛ ونتيجة لمثل هذه الانفجارات تتشكل جميع العناصر الكيميائية الثقيلة.

لذلك، إذا اعتبرنا الكون نظامًا معزولًا، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يكون راضيًا بشكل عام، سواء في الماضي أو اليوم. وهذا أحد القوانين التي وضعها الله، وبالتالي فهو يعمل في الكون مثل القوانين الفيزيائية الأخرى.

على الرغم مما قيل أعلاه، هناك الكثير من الأشياء المدهشة في الكون المرتبطة بالنظام السائد فيه، لكن ذلك لا يرجع إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية، بل لأسباب أخرى.

وهكذا، بحثت مجلة نيوزويك (العدد الصادر بتاريخ 09 نوفمبر 1998) في الاستنتاجات التي تقودنا إليها الاكتشافات المتعلقة بخلق الكون. وقالت إن الحقائق "تُظهر أصل الطاقة والحركة من العدم، أي من العدم، من خلال انفجار هائل للضوء والطاقة، وهو ما يتوافق إلى حد ما مع وصف سفر التكوين [الكتاب المقدس]". لاحظ كيف أوضحت مجلة نيوزويك التشابه بين ولادة الكون والوصف الكتابي لهذا الحدث.

تكتب هذه المجلة: «كانت القوى المنطلقة - ولا تزال - متوازنة بشكل مدهش (بشكل إعجازي؟): لو كان الانفجار الكبير أقل عنفًا بعض الشيء، لكان توسع الكون قد حدث بشكل أبطأ، وسرعان ما (في غضون بضعة ملايين من السنين) أو في غضون دقائق قليلة - على أي حال قريبًا) ستنعكس العملية ويحدث الانهيار. لو كان الانفجار أقوى قليلا، لكان من الممكن أن يتحول الكون إلى "مرق سائل" مخلخل للغاية، وكان من الممكن أن يكون تكوين النجوم مستحيلا. كانت فرص وجودنا صغيرة جدًا من الناحية الفلكية. كان من المفترض أن تظل نسبة المادة والطاقة إلى حجم الفضاء عند الانفجار الكبير ضمن واحد على كوادريليون من واحد بالمائة من النسبة المثالية.

اقترحت مجلة نيوزويك أن هناك من يتحكم في خلق الكون، والذي يعرف: "إذا حذفنا حتى درجة واحدة (كما ذكرنا أعلاه، كان هامش الخطأ واحدًا على كوادريليون من واحد بالمائة)، ... فلن تكون النتيجة مجرد تنافر". بل الإنتروبيا الأبدية والجليد."

اعترف عالم الفيزياء الفلكية آلان لايتمان: «إن كون الكون قد خُلق على هذا القدر من التنظيم هو لغز [بالنسبة للعلماء]». وأضاف أن "أي نظرية كونية تطمح إلى النجاح سيتعين عليها في النهاية أن تشرح لغز الإنتروبيا هذا": لماذا لم يسقط الكون في الفوضى. من الواضح أن مثل هذا الاحتمال المنخفض للتطور الصحيح للأحداث لا يمكن أن يكون مجرد حادث. (مقتبس في استيقظ!، ٢٢/٦/٩٩، الصفحة ٧.)

القانون الثاني للديناميكا الحرارية وأصل الحياة

كما ذكرنا سابقًا، تحظى النظريات بشعبية كبيرة بين الخلقيين القائلة بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يثبت استحالة ظهور الحياة تلقائيًا من مادة غير حية. في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، نشر معهد أبحاث الخلق كتابًا حول هذا الموضوع وحاول حتى التواصل مع أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بشأن هذه المسألة (لم تنجح المراسلات).

ومع ذلك، كما رأينا أعلاه، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على الأنظمة المعزولة. ومع ذلك، فإن الأرض ليست نظاما معزولا، لأنها تتلقى الطاقة باستمرار من الشمس، وعلى العكس من ذلك، تطلقها في الفضاء. والكائن الحي (حتى، على سبيل المثال، خلية حية)، بالإضافة إلى ذلك، يتبادل مع البيئة والمادة. ولذلك فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا ينطبق على هذه المسألة بحكم التعريف.

وقد ذكر أعلاه أيضًا أن العالم المادي يتميز بميل عام معين نحو زيادة الإنتروبيا، مما يؤدي إلى تدمير الأشياء في كثير من الأحيان ودخولها في حالة من الفوضى بدلاً من خلقها. ومع ذلك، كما ذكرنا، فإنه ليس قانونا. علاوة على ذلك، إذا انفصلنا عن العالم الكبير الذي اعتدنا عليه وانغمسنا في العالم الصغير - عالم الذرات والجزيئات (ومن هنا يفترض أن تبدأ الحياة)، فسنرى أنه من الأسهل بكثير عكس اتجاهه. عمليات زيادة الإنتروبيا فيه. في بعض الأحيان، يكون التأثير الأعمى وغير المنضبط كافيًا لبدء إنتروبيا النظام في الانخفاض. ومن المؤكد أن كوكبنا مليء بالأمثلة على مثل هذه التأثيرات: الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي، والحرارة البركانية في قاع المحيط، والرياح على سطح الأرض، وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك، فإن العديد من العمليات تتدفق في الاتجاه المعاكس "غير المواتي" بالنسبة لهم، أو يصبح الاتجاه المعاكس "مفيدًا" لهم (على سبيل المثال، انظر أعلاه في العنوان الفرعي "أمثلة على تقليل الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية"). ولذلك، فحتى ميلنا العام نحو زيادة الإنتروبيا لا يمكن تطبيقه على ظهور الحياة كنوع من القاعدة المطلقة: فهناك الكثير من الاستثناءات لها.

بالطبع، هذا لا يعني أنه بما أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يحظر النشوء التلقائي للحياة، فيمكن أن تنشأ الحياة من تلقاء نفسها. وهناك أشياء أخرى كثيرة تجعل مثل هذه العملية مستحيلة أو غير محتملة على الإطلاق، لكنها لم تعد مرتبطة بالديناميكا الحرارية وقانونها الثاني.

على سبيل المثال، تمكن العلماء من الحصول على عدة أنواع من الأحماض الأمينية في ظروف صناعية، تحاكي الظروف المفترضة للغلاف الجوي الأولي للأرض. الأحماض الأمينية هي نوع من اللبنات الأساسية للحياة: فهي تستخدم في الكائنات الحية لبناء البروتينات (البروتينات). ومع ذلك، فإن البروتينات الضرورية للحياة تتكون من مئات، وأحيانا آلاف من الأحماض الأمينية، متصلة بتسلسل صارم ومرتبة بطريقة خاصة في شكل خاص (انظر الشكل على اليمين). إذا قمت بدمج الأحماض الأمينية بترتيب عشوائي، فإن احتمال إنشاء بروتين وظيفي واحد بسيط نسبيًا سيكون ضئيلًا - صغير جدًا بحيث لن يحدث هذا الحدث أبدًا. إن افتراض حدوثها العشوائي هو تقريبًا مثل العثور على عدة حجارة تشبه الطوب في الجبال والتأكيد على أن منزلًا حجريًا يقف بالقرب منها قد تشكل من نفس الحجارة بشكل عشوائي تحت تأثير العمليات الطبيعية.

من ناحية أخرى، فإن البروتينات وحدها ليست كافية لوجود الحياة: لا يلزم وجود جزيئات DNA و RNA أقل تعقيدًا، والتي لا يصدق حدوثها بشكل عشوائي أيضًا. الحمض النووي هو في الأساس مخزن ضخم للمعلومات المنظمة اللازمة لصنع البروتينات. يتم تقديمه بواسطة مجموعة كاملة من البروتينات والحمض النووي الريبوزي (RNA)، الذي ينسخ هذه المعلومات ويصححها ويستخدمها "لأغراض الإنتاج". كل هذا نظام واحد، لا معنى لمكوناته الفردية، ولا يمكن إزالة أي منها منه. على المرء فقط أن يبدأ في التعمق أكثر في بنية هذا النظام وفي مبادئ عمله لفهم أن المصمم اللامع هو الذي عمل على إنشائه.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية والإيمان بالخالق

هل القانون الثاني للديناميكا الحرارية متوافق مع الإيمان بالخالق بشكل عام؟ ليس فقط بحقيقة وجوده، ولكن بحقيقة أنه خلق الكون والحياة على الأرض (تكوين 1: 1-27؛ رؤيا 4: 11); أنه وعد بأن الأرض سوف تستمر إلى الأبد (مزمور 103: 5)مما يعني أن الشمس والكون سيكونان أبديين بشكل أو بآخر؛ أن الناس سيعيشون إلى الأبد في السماء على الأرض ولن يموتوا أبدًا (مزمور 36: 29؛ متى 25: 46؛ رؤيا 21: 3، 4)?

يمكننا أن نقول بأمان أن الإيمان بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية يتوافق تمامًا مع الإيمان بالخالق ووعوده. والسبب في ذلك يكمن في صياغة هذا القانون نفسه: "في نظام معزول، لا يمكن للإنتروبيا أن تنخفض". أي نظام معزول يبقى معزولاً فقط طالما لا يتدخل أحد في عمله، بما في ذلك الخالق. ولكن بمجرد أن يتدخل ويوجه جزءًا من قوته التي لا تنضب إليها، سيتوقف النظام عن العزلة، وسيتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل فيه. ويمكن قول الشيء نفسه عن الاتجاه العام نحو زيادة الإنتروبيا، وهو ما ناقشناه أعلاه. نعم، من الواضح أن كل ما هو موجود حولنا تقريبًا - من الذرات إلى الكون - يميل إلى الدمار والتدهور بمرور الوقت. لكن الخالق لديه القوة والحكمة اللازمة لوقف أي عمليات انحطاط وحتى عكسها عندما يرى ذلك ضروريًا.

ما هي العمليات التي يقدمها الناس عادةً على أنها تجعل الحياة الأبدية مستحيلة؟

· في غضون بضعة مليارات من السنين ستخرج الشمس.كان من الممكن أن يحدث هذا لو لم يتدخل الخالق في عمله أبدًا. ومع ذلك، فهو خالق الكون ويمتلك طاقة هائلة تكفي لإبقاء الشمس مشتعلة إلى الأبد. على سبيل المثال، يمكنها، من خلال إنفاق الطاقة، عكس التفاعلات النووية التي تحدث في الشمس، كما لو كانت تزودها بالوقود لعدة مليارات من السنين، وكذلك تجديد حجم المادة التي تفقدها الشمس على شكل رياح شمسية.

· عاجلاً أم آجلاً، ستصطدم الأرض بكويكب أو ثقب أسود.بغض النظر عن مدى ضآلة احتمالية حدوث ذلك، فهو موجود، مما يعني أنه على مدار الأبدية سيصبح بالتأكيد حقيقة واقعة. ومع ذلك، يستطيع الله، باستخدام قوته، أن يحمي الأرض من أي ضرر مقدمًا، وذلك ببساطة عن طريق منع مثل هذه الأشياء الخطيرة من الاقتراب من كوكبنا.

· سوف يطير القمر بعيدا عن الأرض، وسوف تصبح الأرض غير صالحة للسكن.يعمل القمر على تثبيت ميل محور الأرض، وبفضل ذلك يتم الحفاظ على المناخ عليه ثابتًا إلى حد ما. يتحرك القمر تدريجيًا بعيدًا عن الأرض، مما قد يؤدي في المستقبل إلى تغيير ميل محوره وقد يصبح المناخ لا يطاق. لكن الله، بالطبع، لديه القوة اللازمة لمنع مثل هذه التغييرات المدمرة وإبقاء القمر في مداره حيث يراه مناسبًا.

لا شك أن الأشياء في العالم المادي تميل إلى الشيخوخة والتدهور والانهيار. ولكن يجب أن نتذكر أن الله نفسه خلق العالم بهذه الطريقة. وهذا يعني أن هذا كان جزءًا من خطته. لم يكن المقصود من العالم أن يوجد إلى الأبد بمعزل عن الله. على العكس من ذلك، فقد خُلق ليظل موجودًا إلى الأبد تحت سيطرة الله. وبما أن الله كان لديه الحكمة والقدرة على خلق العالم، فليس لدينا أي سبب للشك في أن لديه نفس القوة والحكمة لرعاية خليقته إلى الأبد، وإبقاء كل شيء فيها تحت سيطرته.

تؤكد لنا الآيات الكتابية التالية أن الشمس والقمر والأرض والناس سيكونون موجودين إلى الأبد:
· « سيخافونك ما دامت الشمس والقمر موجودتين من جيل إلى جيل» (مزمور 73: 5)
· « [الأرض] لن تتزعزع إلى الأبد وإلى الأبد» (مزمور 103: 5)
· « الصديقون يرثون الأرض ويسكنون عليها إلى الأبد» (مزمور 37:29)

لذلك، لا شيء يمنعنا من الإيمان بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية واعتباره مبدأ علميًا صحيحًا، وفي نفس الوقت أن نكون متدينين بشدة وننتظر تحقيق جميع وعود الله المسجلة في الكتاب المقدس.

استخدم الحجج الصادقة

لذا، إذا كنت مؤمنًا، أي من الطوائف الدينية المذكورة في بداية المقال ستضيف صوتك إليها؟ إلى المشاركين في المظاهرة المذكورة أعلاه للمحافظين المسيحيين الذين يطالبون بإلغاء القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟ أم إلى الخلقيين الذين يستخدمون هذا القانون كدليل على خلق الله للحياة؟ أنا لست لأحد.

ويميل معظم المؤمنين إلى الدفاع عن عقيدتهم بطريقة أو بأخرى، ويستخدم البعض معطيات العلم للقيام بذلك، مما يؤكد إلى حد كبير وجود الخالق. ومع ذلك، من المهم بالنسبة لنا أن نتذكر مبدأ كتابيًا خطيرًا: "نريد أن نتصرف بالحسنى في كل شيء" (عبرانيين 13: 18). لذلك، بالطبع، سيكون من الخطأ استخدام أي حجج غير صحيحة لإثبات وجود الله.

وكما رأينا من هذا المقال، لا يمكن استخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية كدليل على وجود الله، كما أن وجود الله أو عدم وجوده لا يثبت أو ينفي القانون الثاني للديناميكا الحرارية. المبدأ الثاني ببساطة لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمسألة وجود الخالق، تمامًا مثل الغالبية العظمى من القوانين الفيزيائية الأخرى (على سبيل المثال، قانون الجاذبية العالمية، قانون الحفاظ على الزخم، قانون أرخميدس أو كل القوانين الفيزيائية الأخرى). مبادئ أخرى للديناميكا الحرارية).

إن مخلوقات الله تزودنا بعدد كبير من الأدلة المقنعة، وكذلك الأدلة غير المباشرة على وجود الخالق. لذلك، إذا تبين أن أيًا من العبارات التي استخدمناها سابقًا كدليل غير صحيحة، فلا يجب أن تخاف من التخلي عنها لاستخدام الحجج الصادقة فقط للدفاع عن إيمانك.

التعبير عن قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها، فإنه لا يسمح لنا بتحديد اتجاه العمليات الديناميكية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصور العديد من العمليات التي لا تتعارض مع المبدأ الأول، وهو حفظ الطاقة، ولكنها لا تحدث في الطبيعة. إن ظهور القانون الثاني للديناميكا الحرارية - الحاجة إلى الإجابة على سؤال ما هي العمليات الممكنة وأيها غير ممكنة - يحدد اتجاه تطور العمليات.

باستخدام مفهوم الإنتروبيا وعدم المساواة كلاوزيوس، القانون الثاني للديناميكا الحراريةيمكن صياغته كقانون زيادة إنتروبيا النظام المغلق خلال عمليات لا رجعة فيها: أي عملية لا رجعة فيها في نظام مغلق تحدث بطريقة تؤدي إلى زيادة إنتروبيا النظام.

يمكننا إعطاء صياغة أكثر إيجازًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية:

في العمليات التي تحدث في نظام مغلق، لا تنخفض الإنتروبيا.من المهم هنا أننا نتحدث عن الأنظمة المغلقة، لأنه في الأنظمة المفتوحة، يمكن للإنتروبيا أن تتصرف بأي شكل من الأشكال (تتناقص، تزيد، تظل ثابتة). بالإضافة إلى ذلك، نلاحظ مرة أخرى أن الإنتروبيا تظل ثابتة في نظام مغلق فقط خلال العمليات القابلة للعكس. أثناء العمليات التي لا رجعة فيها في نظام مغلق، تزداد الإنتروبيا دائمًا.

تسمح لنا صيغة بولتزمان بتفسير الزيادة في الإنتروبيا التي يفترضها القانون الثاني للديناميكا الحرارية في نظام مغلق خلال عمليات لا رجعة فيها: زيادة الانتروبيايعني انتقال النظام من الأقل احتمالا إلى الأكثر احتمالاحالة. وهكذا، فإن صيغة بولتزمان تسمح لنا بتقديم تفسير إحصائي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. وهو، باعتباره قانونًا إحصائيًا، يصف أنماط الحركة الفوضوية لعدد كبير من الجسيمات التي تشكل نظامًا مغلقًا.

دعونا نشير إلى صيغتين أخريين للقانون الثاني للديناميكا الحرارية:

1) حسب كلفن: العملية الدائرية مستحيلة، ونتيجتها الوحيدة هي تحويل الحرارة الواردة من المدفأة إلى عمل معادل لها؛

2) بحسب كلوزيوس : إن العملية الدائرية مستحيلة، ونتيجتها الوحيدة هي انتقال الحرارة من جسم أقل حرارة إلى جسم أكثر حرارة.

من الممكن أن نثبت بكل بساطة (نترك هذا للقارئ) تكافؤ صيغتي كلفن وكلوزيوس. بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أنه إذا تم تنفيذ عملية تخيلية في نظام مغلق يتعارض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية في صيغة كلوزيوس، فإنه يصاحبها انخفاض في الإنتروبيا. وهذا يثبت أيضًا تكافؤ صيغة كلوزيوس (وبالتالي كلفن) والصياغة الإحصائية التي بموجبها لا يمكن أن تنخفض إنتروبيا النظام المغلق.

في منتصف القرن التاسع عشر. نشأت مشكلة ما يسمى بالموت الحراري للكون . بالنظر إلى الكون كنظام مغلق وتطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليه، اختصر كلوزيوس محتواه إلى القول بأن إنتروبيا الكون يجب أن تصل إلى الحد الأقصى. وهذا يعني أنه مع مرور الوقت، يجب أن تتحول جميع أشكال الحركة إلى حركة حرارية.

سيؤدي انتقال الحرارة من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة إلى حقيقة أن درجة حرارة جميع الأجسام في الكون ستكون متساوية، أي. سيحدث التوازن الحراري الكامل وستتوقف جميع العمليات في الكون - سيحدث الموت الحراري للكون. تكمن مغالطة الاستنتاج حول الموت الحراري في حقيقة أنه ليس من المنطقي تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على الأنظمة المفتوحة، على سبيل المثال، على نظام لا حدود له ومتطور إلى ما لا نهاية مثل الكون. وأشار F. Engels أيضًا إلى عدم اتساق الاستنتاج حول الموت الحراري في عمله "ديالكتيك الطبيعة".

يوفر أول قانونين للديناميكا الحرارية معلومات غير كافية حول سلوك الأنظمة الديناميكية الحرارية عند درجة صفر كلفن. يتم استكمالها القانون الثالث للديناميكا الحرارية,أو نظرية نيرنست(دبليو إف جي نيرنست (1864-1941) - فيزيائي وكيميائي فيزيائي ألماني) — اللوح الخشبي:تميل إنتروبيا جميع الأجسام في حالة التوازن إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر كلفن:

نظرًا لأن الإنتروبيا يتم تحديدها حتى ثابت مضاف، فمن الملائم أن نأخذ هذا الثابت يساوي الصفر (ومع ذلك، لاحظ أن هذا افتراض اعتباطي، لأن الإنتروبيا بطبيعتها جوهريتم تحديده دائمًا حتى ثابت مضاف). ويترتب على نظرية نيرنست بلانك أن السعات الحرارية س صو السيرة الذاتيةعند 0K فهي تساوي الصفر.