الدّيناميكا الحراريّة:
من المحرّكات البُخاريّة إلى أسرار الكون

القانون صفر للدّيناميكا الحراريّة : درجة الحرارة

إنّ القوانين الأربعة للدّيناميكا الحراريّة مرقّمة بطريقة غريبة إلى حدّ ما: فبدلًا من ترقيمها من واحد إلى أربعة، يبدأ التّرقيم من الصّفر. ويعتبر السّبب وراء ذلك تاريخيًّا: فقد طُوّرت القوانين الثلاثة الأصليّة بين منتصف القرن التّاسع عشر وبداية القرن العشرين. وأُضيفَة قانون أكثر أساسيّة إليهم فقط في الثّلاثينيّات من القرن العشرين. ونظرًا لأهمّيّته، وُضِعَ قبل القوانين الثّلاثة الّتي سبقته وسُمِّي "قانون الصّفر".

ينصّ قانون الصّفر على أنّه إذا كان هناك جسمان في حالة توازن حراريّ مع جسم ثالث، فإنّهما أيضًا في حالة توازن مع بعضهما. في اللّغة الرّياضيّة من الممكن تعميم هذا القانون على أيّ عدد من الأجسام، ومن ثمّ الإشارة إلى أّن هناك مقياسًا مطلقًا يصف التّوازن الحراريّ بين الأجسام - درجة الحرارة.

بالأساس، هذا هو المبدأ الّذي يعتمد عليه قياس درجة حرارة الأجسام. تعتمد معظم موازين الحرارة على مكوّن ذي خاصيّة قياس سهلة بحيث يتغيّر وفقًا لطاقته الحراريّة. عند استخدام موازين الحرارة، علينا تقريبها إلى الجسم الّذي نرغب بقياس درجة حرارته، حتّى يصل إلى التّوازن الحراريّ. على سبيل المثال، عندما نضع مقياس الحرارة في فمنا، فإنّه يسخن بسرعة من ملامسته لتجويف الفم وتتغيّر مقاومته تدريجيًّا، حتّى تستقرّ عندما تتوازن حراريًّا. يعود ذلك لوجود سلك معدنيّ في طرف موازين الحرارة الكهربائيّة المخصّصة لقياس درجة حرارة الجسم، والّذي تتغيّر مقاومته وفقًا لدرجة الحرارة.  

القانون الأوّل للدّيناميكا الحراريّة: قانون حفظ الطّاقة

ينصّ القانون الأوّل للدّيناميكا الحراريّة على أنّ أيّ تغيّر في الطّاقة الدّاخليّة لجسم ما، يساوي إجمال الحرارة الدّاخليّة إلى الجسم من البيئة المحيطة به، ناقص العمل الّذي قام به الجسم على البيئة المحيطة به. يُعتبر القانون الأوّل نتيجةً لقانون حفظ الطّاقة المعروف من الميكانيكا الكلاسيكيّة، والّذي ينصّ على أنّ الطّاقة لا تُستحدَث من العدم، ولا تنعدم، بل تنتقل من جسم إلى آخر أو تتغيّر من نوع طاقة إلى آخر.

المثال النّموذجيّ لهذا القانون هو ما يحدث للغاز في محرّك السّيارة - يكون الهواء مع خليط الوقود محصورًا داخل المكبس، كالموجود في محرّك السّيّارة، وينتشر بعد تشغيل المحرّك. ستتحدّد الحالة النّهائيّة للغاز في المكبس وفقًا لضغطه ودرجة حرارته، بحيث تتأثّر حالته من مقدار الشّغل الّذي يؤدّيه الغاز على المكبس، عند دفعه بهدف تدوير عجلات السّيّارة، وكمّيّة الحرارة الّتي تنتقل من الغاز إلى ما يحيط به - جدار المكبس.

القانون الثّاني للدّيناميكا الحراريّة: الحرارة تتدفّق دائمًا من الجسم السّاخن الجسم البارد

يوجد عدّة صيغ من المعادلات الرياضيّة للقانون الثّاني للدّيناميكا الحراريّة، والّتي لها معانٍ بعيدة المدى. تنصّ إحدى الصّيغ على أنه لن يكون هناك انتقال تلقائيّ للحرارة من الجسم البارد إلى الجسم السّاخن. وهذا يعني أنّه من غير الممكن أن يسخن فنجان قهوة فاتر الذي تُرك في غرفة مكيّفة، بدلًا من أن يبرد. هذا استنتاج بديهيّ لجميعنا، كما وتكمن قوّة هذا القانون أوّلًا وقبل كلّ شيء في توضيح الرّياضيات وراء هذه القاعدة.

أحد الاستنتاجات الّتي تنبع من هذا القانون، هو أنّه لا يمكن أن تتحقّق آلة تحول الطّاقة الحراريّة إلى عمل، فالحسابات توضّح أنّ في هذه الحالة يجب أن يحدث انتقال تلقائيّ للحرارة من البارد إلى السّاخن. تعتبر آلة كهذه من آلات الحركة الدّائمة. فبكل آلة تنتج عمل معيّن، يجب أن تنتقل الحرارة من الجسم السّاخن إلى الجسم البارد، وبشكل منطقيّ، سيكون هناك دائمًا فقدان للطّاقة بسبب الاحتكاك.

من الممكن بالطّبع نقل الحرارة من الجسم البارد إلى السّاخن، ولكن لتحقيق ذلك يجب أن نقوم ببذل عمل. على سبيل المثال، عندما نقوم بتشغيل مكيّف الهواء في يوم صيفيّ حارّ، فإنّه سينقل الطّاقة الحراريّة من الغرفة المبرّدة الّتي تبلغ حرارتها حوالي 27 درجة مئويّة، إلى الهواء الخارجيّ الّذي يمكن أن تكون درجة حرارته أكثر من 30 درجة مئويّة. تمّ تبريد الهواء في هذه الحالة عن طريق بذل عمل من خلال الكهرباء.

بالإضافة إلى ذلك، يحدّد القانون الثّاني أيضًا وجود الأنتروبيا، ويترتّب على ذلك أنّ الأنتروبيا في أي نظام مغلق -بما في ذلك الكون بأكمله- لا يمكن أن تنخفض، بل تبقى كما هي أو تزيد.

القانون الثّالث للدّيناميكا الحرارية: الانتروبيا عند الصّفر المطلق

يتناول القانون الثّالث للدّيناميكا الحراريّة قيمة الأنتروبيا عندما تصل درجة الحرارة الصّفر المطلق. يعتبر الصّفر المطلق أدنى درجة حرارة ممكنة، وتبلغ -273.15 درجة مئويّة، أي 273.15 درجة تحت نقطة تجمّد الماء عند مستوى سطح البحر. وُجِد هذا القانون حتّى قبل تطوير نظريّة الدّيناميكا الحراريّة. يحدّد القانون الثّالث للدّيناميكا الحراريّة الظّروف عند الصّفر المطلق رياضيًّا، وينصّ على أنّه عندما تقترب الحرارة من الصّفر المطلق، تقترب قيمة الأنتروبيا نحو قيمة ثابتة. يمكن أن تكون هذه القيمة صفرًا، ولكن ليس بالضّرورة.

أحد الاستنتاجات الّتي تنبع من هذا القانون، هو أنّه من المستحيل الوصول إلى الصّفر المطلق، لأنّ كلّ خطوة تبريد تتطلّب المزيد من الطّاقة. أي أنّه من الممكن تبريد بعض الأنظمة إلى درجات حرارة منخفضة جدًّا، قريبة للصّفر، ولكن ليس بالتّحديد، لأنّ ذلك سيتطلّب العديد من خطوات التّبريد. أدنى درجة حرارة تمّ التّوصّل إليها في المختبر حتّى يومنا هذا هي 38 تريليون درجة فوق الصّفر المطلق. وقد قُدِّرت درجة الحرارة المنخفضة جدًّا هذه في مجموعة مكوّنة من حوالي مائة ألف ذرّة، الّتي حُفِظَت في جهاز خاصّ يتضمّن مجالات مغناطيسيّة وظروف انعدام الجاذبيّة. قُدِّرَت درجة الحرارة بناءً على قياس حركة الذرات.

ساهمت القوانين الأربعة للدّيناميكا الحراريّة، الّتي وُلدت أساسًا "لتحريك عجلات" الثّورة الصّناعيّة، بوضع الأساس لواحدة من أهمّ النّظريّات المركزيّة في العلوم الطبيعيّة، بدءًا من الأحداث الكونيّة الّتي تشمل المجرّات بأكملها وخارجها، وانتهاءً بالعمليّات الجزيئيّة الحيويّة، الّتي تحدث على نطاق مجهريّ في خلايا الكائنات الحيّة. لذلك ربّما يمكن النّظر إليها إلى حدّ كبير على أنّها نظريّة عن الكون والحياة، وكلّ شيء آخر تقريبًا.