ترمودینامیک

مقدمه

یکی از تعاریف عالی ترمودینامیک این است که ترمودینامیک علم انرژی و آنتروپی میباشد. تردیدی نیست که علم در چنین تعریفی با تعبیری پوزیتیویستیک به معنای دانشی بر پایهء مشاهدات تجربی بیان شده است. از این منظر هرکجا که سخنی از علم میرود مقصود علم تجربی است . برتراند راسل معتقد است اگر نتوانیم از چیزی آگاهی تجربی بدست آوریم هیچ آگاهی ازآن نخواهیم داشت.اگر پرسیده شود که صحت خود این مدعا چگونه به اثبات میرسد پاسخ این است که اساساً چنین پرسشهایی تجربی نیستند. بدین معنا که نمیتوان آن را به محک تجربه گذاشت. سوالاتی از ازاین دست در حوزه متافیزیک جای میگیرند. روش پاسخ دادن به چنین سوالاتی که به جنبه های معرفت شناختی علم مربوط میشوند نظیر همهء مسائل متافیزیکی تعقل ومنطق است و نه محک تجربی . تفاوت عمده ای هست میان علم پوزیتیویستی که بر پایهء تجربه پذیری بنا شده و متافیزیک که تفسیری عام و فراگیر از مسائل جهان هستی است. حوزهء مبحث این نوشتار اغلب تحلیل جنبه های استدلال منطقی در قوانین ترمودینامیک وبرخی پرسشهای فلسفی ومعرفت شناختی پیرامون آن است. با این تفاسیر ترمودینامیک یک علم تجربی است. چرا که در قوانین بنیادی آن یافته های تجربی بصورت روابط ریاضی درآمده اند. بنیان ترمودینامیک بر پایهء مشاهدات تجربی است. تجربی است از اینرو که قابلیت تجربه پذیری همگانی دارد. پدیده ای که مورد کاوش تجربی قرار می گیرد باید چنان باشد که همه بتوانند در آزمون آن شرکت کنندوهرکس با تحصیل شرایط خاص بتواند به آسانی آن را تجربه کند

بنابراین واضح است که ترمودینامیک واجد شرایط تجربه پذیری علمی است. بااین وجود مباحث مربوط به ترمودینامیک فاقد تجربه گری صرف است که در برخی ازعلوم وجود دارد. بدین معنی که ترمودینامیک فقط برپایه تجربه ومشاهده نیست.اصولا مباحث مرتبط با مکانیک و شاخه های آن دقت و تاکید فراوانی بر استدلال استقرایی دارندواصول بنیادی مکانیک برپایه مدلسازی ریاضی ازپدیده های فیزیکی است . پایه های اصلی مباحث ترمودینامیک را مانند تکیه گاههای منطقی علم مکانیک باید در شهود و تجربه جستجوکرد.ازآن پس میتوان یک چارچوب ذهنی ترتیب داد به عنوان مثال با پی ریزی مدلی منطقی میتوان مطالعهء مکانیک شاره ها را در ادامهء مکانیک مقدماتی و ترمودینامیک قرار داد

پایه های مطالعه مکانیک شاره ها

پایستاری جرم – قانون دوم نیوتن - اصل تکانه زاویه ای - قانون اول ترمودینامیک- قانون دوم ترمودینامیک

شش اصل بنیادی در مکانیک مقدماتی

1. قانون متوازی الاضلاع برای جمع بستن نیروها

2. اصل قابلیت انتقال

3. قانون گرانش نیوتن

4. قانون اول نیوتن

5. قانون دوم نیوتن

6. قانون سوم نیوتن

به استثناء قانون اول نیوتن و اصل قابلیت انتقال که دو اصل بنیادی مستقل هستند سایر اصول مکانیک مقدماتی مبتنی بر شواهد تجربی اند.با این اوصاف مطالعه ترمودینامیک صرفاً بر پایهء تجربه گری نیست بلکه آمیزه ای ازدرک شهودی intuitive reasoning و تجربه مستقیم میباشد. قوانین ترمودینامیک را میتوان بر اساس تعاریف اصولی و رایج علم نیز بررسی کرد:

الف: یک قانون علمی نظمی همیشگی و پایدار را بیان میکند.قضایای کلی عموما" با همیشه/هیچ/هر یا همه آغاز میشوند
ب: قوانین علمی توانایی پیشگویی مشروط دارند و با دانستن وضع فعلی سیستم میتوان آیندهء آن را به طور مشروط معلوم کرد.
ج: قوانین علمی وقوع برخی پدیده ها را در جهان نامکمن و نشدنی اعلام می کنند ؛ابطال پذیرند( falisifiable ) و میتوان تصور کرد که روزی تجربه ای خلاف آن مشاهده شود.
د: قوانین و فرضیات علمی توتولوژیک نیستند حصر منطقی ندارند و جمیع حالات ممکن را در بر نمیگیرند
ه: قوانین علمی گزینشی( selective ) هستند و هرگز همه جوانب پدیده ها را تجربه و تحقیق نمی کنند.

قوانین ترمودینامیک مجموعهء این تعاریف را ارضا می کند. فی المثل وقتی گفته میشود که قانون اول ترمودینامیک برای هر سیکل بسته ای برقرار میباشد سخن از یک تجربه همیشگی و پایدار گفته ایم. با قوانین ترمودینامیک می توان آیندهء یک سیستم را از قرائن فعلی آن پیش بینی نمود. قوانین ترمودینامیک همچنین وقوع پدیده هایی را ناممکن اعلام می کنند. این خاصیت ابطال پذیری قوانین علمی است که به پدیده ها اجازه هرگونه جهتی را نمی دهند ونسبت به جهتگیری حوادث بی تفاوت نیستند." ابطال پذیری به معنای باطل بودن نیست. قانون ابطال پذیر یعنی قانونی که برای آن بتوان تصور کرد که در صورت وقوع پدیده ای باطل می شود. نقش تجربه هم در علوم کشف بطلان است و نه اثبات صحت . ابطال پذیری به معنای این نیست که این قوانین حتماً روزی باطل خواهند شد بلکه اگر صحت یک قانون علمی تضمین هم شده باشد باز هم ابطال پذیر خواهد بود. یعنی در فرض می توان تجربه ای را که ناقض آن است پیدا کرد.ابطال پذیری معادل تجربه پذیری است. قانونی علمی است که تجربه پذیر باشد ووقتی تجربه پذیر است که ابطال پذیر باشد و وقتی ابطال پذیر است که نسبت به جهان خارج وجهت پدیده های آن بی تفاوت نباشد .قوانین ترمودینامیک مثل هر قانون علمی دیگرگزینشی هستند. وفقط چند خاصیت محدود را بررسی می کنند.بعنوان مثال مدل گازایده آل فرایند پلی تروپیک PV=mRT فقط به چند خاصیت از قبیل فشار دما حجم و… محدود می شود.هیچ قانون ترمودینامیکی یافت نمی شود که در آن همهء خواص ترمودینامیکی منظور شده باشد.هر قانون تنها جنبه هایی خاص را مورد بررسی قرار می دهد. بدین ترتیب در ترمودینامیک با یک سری قواعد اصالتاً علمی مواجهیم که ضمن علمی بودن نتایج و برداشتهای فلسفی با اهمیتی را نیز در بر می گیرد.

1.1 تکامل منطقی قوانین ترمودینامیک

ترمودینامیک در قالب چهار قانون بنیادی ارائه می شود و در نامگذاری این چهار قانون نوعی روند تکاملی لحاظ شده است.

- قانون صفرم ترمودینامیک: هر دو جسم که با جسم سومی دارای تساوی درجه حرارت باشند آن دو جسم نیزبا هم تساوی حرارت دارند
- قانون اول ترمودینامیک: برای هر سیستم در حال پیمودن یک سیکل انتگرال سیکلی حرارت متناسب با انتگرال سیکلی کار می باشد.(قانون بقای انرژی)
- قانون دوم ترمودینامیک:غیرممکن است وسیله ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند وتنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به گرمتر باشد.
- قانون سوم ترمودینامیک: این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرایند متناهی به صفر مطلق دست یافت. به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است.

قانون صفرم ترمودینامیک منطقاً بدیهی به نظر می رسد.اگر چه که تجربه پذیر است و می توان صحت و اعتبار آن را آزمایش کرد.این قانون اساس اندازه گیری درجه حرارت است و نمی توان آن را از سایر قوانین نتیجه گرفت. قانون صفرم ترمودینامیک از این رو قبل از قوانین اول و دوم می آید که برای بیان سایر قوانین ترمودینامیک به مقیاسی برای ادوات اندازه گیری درجه حرارت نیاز است. بدین ترتیب اعدادی را روی دماسنج قرار داده و گفته می شود جسم دارای درجه حرارتی است که روی دماسنج قرائت می شود. بنا براین منطقی است که این قانون قبل از سایر قوانین ترمودینامیک ارائه شود.مطابق با این قانون اندازه گیری درجه حرارت یک پایه منطقی پیدا می کند و در ادامه می توانیم سایر قوانین بنیادی ترمودینامیک را با اتکا به این پایه منطقی بیان کنیم. قانون اول ترمودینامیک بیانگر این مطلب است که در یک سیکل ترمودینامیکی مقدار حرارت منتقل شده از سیستم برابر با مقدار کار انجام شده بر سیستم می باشد. در عین حال این قانون هیچ محدودیتی برای جهت جریان حرارت و کار ایجاد نمی کند. این محدودیت در قالب قانون دوم بیان میشود. قانون دوم ترمودینامیک بیان می دارد که یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش می رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نیست. " متناقض نبودن یک سیکل با قانون اول دلیلی بر این نیست که آن سیکل حتما اتفاق می افتد.این نوع مشاهدات تجربی منجر به تنظیم قانون دوم ترمودینامیک می شود. پس فقط آن سیکلی قابل وقوع است که با قوانین اول و دوم ترمودینامیک همخوانی داشته باشد. پس واضح به نظر می رسد که قانون دوم بیان یک توضیح تکمیلی از قانون اول است که قید مجاز نبودن به هر جهت دلخواه برای کار و حرارت را بر آن می نهد. از این رو در روند تکامل منطقی قوانین ترمودینامیک پس از قانون اول بیان می شود. " در کاربرد قانون دوم دانستن مقدار مطلق آنتروپی ضروری می شود و همین مساله منجر به تنظیم قانون سوم ترمودینامیک می گردد." بنابراین مشاهده شد که قوانین ترمودینامیک در یک سیر تکامل منطقی در امتداد یکدیگر بیان می شوند. قانون اول پایهء منطقی اندازه گیری درجه حرارت را می دهد. قانون اول منجر به بیان قانون دوم شده وقانون دوم نیز به بیان قانون سوم ترمودینامیک می انجامد.

2.1 تحلیل منطقی از قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک را اغلب قانون بقای انرژی می نامند.این قانون بیان می دارد که در یک سیکل ترمودینامیکی انتگرال سیکلی حرارت برابر با انتگرال سیکلی کار می باشد. قانون اول متضمن مفهوم انرژی است.مفهوم بنیادی انرژی در کاربردهای روزمره آشنا و ملموس است و یک درک عمومی از کلمه انرژی وجود دارد. از نقطه نظر ماکروسکوپیک تنها به صورتی از انرژی توجه داریم که به شکل حرارت منتقل می شود. در حالیکه در ترمودینامیک آماری , دیدگاه ما راجع به خواص ماکروسکوپیک تنها یک ارزیابی آماری از خواص میکروسکوپیک هستند. "قوانین ترمودینامیک را می شود به آسانی از اصول مکانیک آماری بدست آورد و آنها در واقع بیان ناقصی از همین اصول اند… در موارد ساده شده ایده آل می توان از پس محاسبات پیچیده اصول مکانیک آماری برآمد و به قانونی با صحت اساساً نامحدود رسید. بنابراین به نظر می رسد مفهوم بنیادی انرژی یک تحلیل نوعاً آماری در رفتار مکانیکی مجموعه بسیار بزرگی از اتمهاست. " برای تشریح کامل رفتار سیستم از دیدگاه میکروسکوپیک لزوما با حد اقل 20^10×6 معادله سر وکار خواهیم داشت. حتی با یک کامپیوتر بزرگ نیز انجام چنین محاسباتی کاملا خستگی آور و ناامید کننده است. با این وجود دو روش برای کاهش تعداد معادلات و متغیرها تا حد پذیرفتنی وجود دارد…یکی از این راهها روش آماری است که بر اساس نظریه های آمار و احتمال مقادیر متوسط را برای همه ذرات سیستم در نظر می گیریم … راه حل دوم برای کاهش تعداد متغیرها کمک گرفتن از دیدگاههای ماکروسکوپیک در ترمودینامیک کلاسیک میباشد همانگونه که از کلمه ماکروسکوپیک استنباط می شود اثرات کلی تعدادی مولکول را مورد توجه قرار می دهیم. چون ما مرتباً ازعبارت انرژی استفاده میکنیم و آن را به پدیده هایی که می بینیم نسبت می دهیم کلمه انرژی مفهومی خاص در ذهن ما یافته است و وسیله ای موثر برای بیان افکار و ایجاد رابطه شده است. انرژی از مفاهیم مجردی است که انسان برای برخی مشاهدات خود آن را ابداع کرده است. زمانی که از انرژی صحبت می کنیم یک ادراک کلی را در نظر داریم که مستقل از تحلیلهای آماری است. به بیان دیگر دیدگاه ما نسبت به انرژی به گونه کاملا محرزی مستقل از این مساله است که تعبیر ماکروسکوپیک آن , بواسطه کاربرد آمار در رفتار تعدادی مولکول بدست آمده است. در ترمودینامیک کلاسیک برای اینکه نشان داده شود انرژی یک خاصیت ترمودینامیکی است به نوعی با مفاهیم عاری از معانی ملموس روبرو هستیم. بدین معنی که Q, W و E تحت قواعد ریاضی و جبری قرار می گیرد و از آن نتایجی عام و کلی استحصال میشود. گویی که می شد همین اعمال ریاضی را روی , Y,X Z انجام داد.در ترمودینامیک , کار وحرارت تحت عنوان انرژی در حال گذار از مرزسیستم تعریف می شود. با این وصف مفهوم انرژی باید یک اصل موضوعه و به طور ضمنی تعریف شده باشد." تعریف صریح همه اصطلاحات فنی یک مبحث همان قدر غیر ممکن است که اثبات کلیه احکام آن , زیرا که یک اصطلاح فنی را باید به کمک سایر اصطلاحات فنی تعریف کرد و این اصطلاحات را توسط اصطلاحات دیگر و …, به منظور رفع این مشکل و برای احتراز از دوری( circular ) بودن در تعریف اصطلاح x به کمک اصطلاح y , و سپس تعریف اصطلاح y به کمک اصطلاح x , مجبوریم که در مقدمه مبحث مورد نظر , مجموعه ای ازاصطلاحات اولیه یا اساسی را در نظر بگیریم و معانی آنها را مورد پرسش فرار ندهیم. تمام اصطلاحات فنی دیگر مبحث را مآلاً باید به کمک این اصطلاحات اولیه تعریف کرد. از این روبرای پرهیز از دوری بودن , تعریف انرژی باید مستقل از کار وحرارت باشد ویا بالعکس. یا اینکه انرژی یک اصل موضوعه قلمداد شود و هیچ تعریفی هم برای آن ارائه نگردد.

قانون اول ترمودینامیک بیان می دارد که:

δW= ∫ δ Q ∫

اگر سیستم دستخوش تحولات یک سیکل باشد و طی فرایند A از حالت 1 به 2 تغییر یافته و سپس طی فرایند B از حالت 2 به حالت 1 بازگشت کند:

آنگاه نشان داده می شود که چون B و A نمایانگر هر فرایند دلخواهی بین 1 و 2 هستند پس مقدار( δ Q – δW) برای هر فرایند انجام شده یکسان خواهد بود. بنابراین مقدار ( δ Q – δW) تنها بستگی به حالات اولیه و نهایی دارد و ارتباطی به مسیر طی شده نخواهد داشت. می توان استنباط کرد که مقدار فوق یک تابع نقطه ای و بنابراین دیفرانسیلی از یک خاصیت جرم کنترل است. از این رو قانون اول ترمودینامیک منجر به تنظیم خاصیتی شده که انرژی نامیده می شود.اما این نتیجه گیری شبهه دوری بودن را در انرژی کار و حرارت ایجاد می کند. از طرفی کار وحرارت تحت عنوان انرژی در حال گذار از مرز سیستم تعریف می شوند و از سوی دیگر وجود خاصیتی به نام انرژی از قانون اول ترمودینامیک و بر مبنای تعاریف کار و حرارت استنتاج می شود. برای پرهیز از دوری بودن یا باید کار وحرارت را مستقل از انرژی تعریف کنیم و یا انرژی را مستقل از کار و حرارت. به هر حال باید یک تفسیر بنیادی وجود داشته باشد. انرژی نمی تواند یک بدیهی اولیه بدون نیاز به تعریف باشد. به نظر می رسد این استنتاج یک تفسیر دوری است. اما چطور ممکن است؟ پاسخ اینجاست که وقتی کار و حرارت را نوعاً تحت مبنای انرژی تعریف می کنیم , ناخواسته انرژی را بعنوان تفسیر نهایی کار و حرارت در نظر گرفته ایم. عقیده به تفسیرهای نهایی باطل است و هر تفسیری را می توان بوسیله تئوری یا تخمینی با کلیتی بیشتر , باز هم تفسیر نمود.هیچ تفسیری نمی تواند وجود داشته باشد که خود محتاج تفسیری دیگر نباشد" بنابراین انرژی تفسیر نهایی کار وحرارت نیست بلکه تنها یک پایه تفسیر رضایت بخش برای این مفاهیم می باشد. " یک سلسله علل منتهی به علت العلل (تفسیر نهایی) میشود زیرا که تسلسل باطل است و در عین حال منتهی به علت العلل نمیشود زیرا علتی که خود معلول نباشد متصور نیست." از این رو دلیل دوری به نظر رسیدن تعاریف انرژی , کار و حرارت این مغالطه است که انرژی را بعنوان تفسیر نهایی کار و حرارت در نظر گرفته ایم. همانگونه که گفته شد عقیده به تفسیر نهایی باطل است و در اینجا نیز باید انرژی را یک تفسیر رضایت بخش از کار وحرارت بدانیم و نه تفسیر نهایی آنها. و این همان تمسک به طبائع اسانسیالیسم Essentialism کارل پوپر ( k.popper ) است که می گوید: تفاسیر نهایی امور و حوادث بر حسب طبائع اشیا است. درست نظیر آنچه در تحلیل قانون اول ترمودینامیک با آن مواجه شدیم اگر انرژی را تفسیر نهایی کار و حرارت بدانیم آنگاه انرژی به وضوح یک تفسیر ad hoc خواهد بود. " قضایایی که به طور موضعی و به صورت وصله ای یا تبصره ای به کار می روند تا یک امر مبهم و بی تفسیر را ظاهراًًً تفسیر کنند ad hoc نام دارند… فرض کنید ά , تفسیر شده ای است که صحت آن مسلم است از آنجا که ά را بداهتاً می توان از خود ά استنباط نمود بنابر این همیشه امکان دارد که ά را بعنوان تفسیر خودش عرضه نماییم. اما با وجود اینکه در اینگونه موارد , صحت مفسر(تفسیر کننده) محقق است و تفسیر شده نیز منطقاً از آن استنتاج می شود , این تفسیر , تفسیری است بسیار نارضایت بخش و لذا ما باید تفاسیری از این قبیل را به دلیل دوری بودن غیرقابل قبول بدانیم. تفسیر کار و حرارت بر پایه انرژی تفسیری تقریباً دوری است. منتهی دلیلی نیست که اقناع کننده هم نباشد. تفاسیر نارضایت بخش , تفاسیری هستند که کاملاً دوری باشند و از این رو منطقاً باطل و غیر قابل قبول اند. اما تفاسیری که تا حدی دوری هستند و در عین حال رضایت بخش و قانع کننده عموماً تفاسیری هستند که قرائن مستقل در ﺘﺄیید آن موجود باشند. بعبارت دیگر تفسیرکننده باید بطور مستقل آزمایش پذیر باشد و این آزمایش مستقل هرچه دشوارتر باشد , تفسیر کننده مقنع تراست… برای اینکه مفسرها ad hoc نباشند باید از لحاظ محتوا غنی و دارای یک رشته نتایج آزمایش پذیر باشند. "تنها وقتی می توانیم در تحقق بخشیدن به تفاسیر مستقل و غیر ad hoc گامی به جلو برداریم که در تفسیر خود استفاده از قضایای کلی یا قوانین طبیعت را به انضمام قضایایی که مبین شرایط خاص( initial conditions ) تجربه اند شرط کنیم , زیرا قوانین کلی طبیعت می توانند قضایایی باشند با محتوای غنی آنگونه که در همه جا و در همه وقت به طور مستقل آزمایش پذیر باشند و لذا اگر بعنوان تفسیر مورد استفاده قرار بگیرند احتمال دارد که ad hoc نباشند. با این اوصاف آنچه در تحلیل منطقی قانون اول ترمودینامیک به رغم تفسیر تقریباً دوری آن اهمیت دارد درجه اقناع کنندگی این قانون می باشد. همانگونه که ذکر شد اقناع کنندگی یک تفسیر به درجه آزمایش پذیری آن بستگی دارد. قانون اول ترمودینامیک نیز به همین دلیل تفسیری قانع کننده و رضایت بخش میباشد. آزمایشات گوناگونی که صورت گرفته به طور مستقیم یا غیر مستقیم , ﻤﺆید قانون اول بوده است. عدم صحت این قانون تا به حال ثابت نشده است.

2.2 نتایج فلسفی قانون اول ترمودینامیک

ینکه قانون اول ترمودینامیک توصیف یک امر ذاتی و حقیقت فی نفسه است یا صرفاً یک مدل ذهنی , اساساً یک پرسش فلسفی است. جان لاک بیان می کرد که "تمام معلومات ما از طریق تجربه و حواس بدست می آید و آنچه نخست به حس در نیاید در ذهن وجود ندارد.امانوئل کانت در کتاب نقد عقل محض (critic of pure reason) میگوید: همه معلومات ما از راه محسوسات نیست. تجربه به هیچ عنوان تنها راه درک وعلم نیست. تجربه فقط ما را به آنچه هست راهنمایی می کند نه به آنچه_ باید چنین باشد_ و دست آخر نتیجه می گیرد که از تجربه , حقایق کلی به دست نمی آید. یعنی حقایق , بدون توجه به تجربه ما واقعیت دارند و حتی پیش از تجربه( a priori ) نیز وجود داشته است. طبق نظریه پوپر , تئوریها هرگز انعکاس عینیت نیستند بلکه بسیار به مدلهای ذهنی کانت شباهت دارند.از دیدگاه پیر دوئم( Pierre duhem ) قوانینی نظیر قانون اول ترمودینامیک نه تفسیرهای متافیزیکی هستند و نه مجموعه ای از قوانین که صحتشان از طریق تجربه و استقراء به ثبوت رسیده باشد , " این تئوریها بناهایی مصنوع هستند که به کمک کمیات ریاضی ساخته شده اند ونسبت این کمیات با مفاهیم مجردی که از تجربه برمی خیزند مانند نسبت علامت به ذی العلامه است… این تئوریها با دقت جبری- ریاضی قابلیت گسترش دارند , چون به تقلید از جبر , این تئوریها را می توان با ترکیب کمیاتی که ما به روش خاص خودمان آراسته ایم , بنا کرد." مساله دیگر این است که ما معادلاتی را با مشاهدات تجربی استخراج کرده و اینک از همان معادلات برای توصیف پدیده مورد نظر استفاده می کنیم. درست مثل اینکه اصطلاح نارنج را با مشاهده میوه نارنج ابداع کرده ایم آنگاه اگر از ما بخواهند که رنگ میوه نارنج را توصیف کنیم خواهیم گفت نارنجی! حال آنکه این تفاسیر بوضوح ad hoc می باشند. البته طبیعی است که اینگونه باشد و ما همیشه در تفسیر رفتار وعملکرد یک شیء خاص , تنها چیزی را که بررسی می کنیم اوصاف ذاتی و لاینفک همان شیء خاص است. معادلات ریاضی با مشاهده رفتار سیستم استخراج شده و تنها بواسطه آن است که می توان رفتار سیستم را تعبیر نمود.

2.3 آیا می توان امتناع رفتار آزاد را از قانون اول استنتاج کرد؟

آیا معادلات بر پدیده ها ارجح هستند؟ پیر دوئم استدلال می کند که اینگونه نیست. به اعتقاد دوئم , معادلات از ابتدا وجود نداشته اند و آنها با مشاهده یک نظم عمومی در رفتار سیستم استخراج و تنظیم شده اند. بنابراین لایتغیر بودن این معادلات فقط به دلیل انطباق آنها با پدیده ها در همه زمانهاست و این مساله گواهی بر محال بودن ارادهء آزاد نیست. هرگز نمی توانیم ثابت و همیشگی بودن معادلات را دلیل بر این بگیریم که قوانین عینی مطلقاً جبری هستند. بدین ترتیب قانون اول ترمودینامیک نیز فقط معادله ای است که از مشاهدات تجربی تصویرسازی شده و هرگز منجر به این استنتاج نخواهد شد که قوانین و واقعیات عینی نیز لایتغیر خواهند بود. اصل بقای انرژی حکمی عام و مسلم درباره اعیان موجود خارجی نیست. بلکه یک فرمول ریاضی است که به فرمان آزادانه ذهن ما ساخته شده است تا همراه با فرمولهای دیگر که به همین نحو ساخته می شود ما را مجاز و قادر بدارد تا از آنها نتایجی را استنتاج بکنیم که به خوبی و درستی بر قوانین مکشوف آزمایشگاهی انطباق یابند وازآنها حکایت کنند. " نه فرمول بقای انرژی و نه سایرفرمولهایی که با ان همراه می کنیم هیچکدام را نمی توان گفت درست یا نادرستند. چرا که احکامی درباره واقعیات عینی نیستند. آیا امتناع رفتار مختارانه جزو لوازم اصل بقای انرژی است یا نه؟ و اینجا باید گفت اصل بقای انرژی هیچ نتیجه عینی و خارجی در بر ندارد. چگونه می توان از اصل بقای انرژی و اصول مشابه آن این نتیجه را استنتاج کرد که ارادهء آزاد محال است؟ به خاطر می آوریم که این اصول گوناگون معادل دستگاهی از معادلات دیفرانسیل اند که بر تغییرات حالات اجسام تابع آنها حاکمند. نتیجه این می شود که در میان این اجسام هیچ حرکت آزادی نمی تواند به وجود آید. حال می پرسیم ارزش این استدلال چقدر است؟ ما این معادلات دیفرانسیل را و یا اصولی را که صورت اصلی آنها هستند برگرفتیم چون که می خواستیم تصویری ریاضی از گروهی از پدیده ها داشته باشیم. برای نمایش این پدیده ها به کمک دستگاهی از معادلات دیفرانسیل , پیشاپیش مفروض گرفتیم که آن پدیده ها تابع جبر مطلق اند." با توجه به دیدگاه دوئم درمی یابیم که ما در ساختن یک مدل و تصویر ریاضی بر اثر مشاهدهء تجربی یک پدیده , فرض را بر نوشتن معادله ای گذاشتیم که ابدی و پایدار است. یعنی از قبل مطمئن بوده ایم که جایی برای ارادهء آزاد در این طبقه بندی باقی نیست. با این وصف واضح است که از لایتغیر بودن معادله نمی توان به لایتغیر بودن واقعیت عینی حکم داد.همانطور که در مثالی گفتم ما از این رو نارنجی را به عنوان یک توصیف پایدار از یک رنگ می شناسیم که از پیش یقین داریم رنگ میوهء نارنج همیشه و در همه زمانها بدون تغییر خواهد بود. و با همین پیش فرض است که می توانیم اصطلاح نارنجی را به هر جسم همرنگ با میوه نارنج اطلاق کنیم. و به همین دلیل هم هست فی المثل رنگی به نام (کتابی) نداریم. زیرا که پیشاپیش می دانیم رنگ کتابها همیشه یکجور نیست. از این رو نباید تصور کنیم که یک معادله , طبیعت و پدیده ها را ملزم به تابعیت از خود می کند. معادلهء قانون اول ترمودینامیک پدیده ها را تابع یک جبر مطلق العنان نمی کند بلکه فقط تصویری ذهنی یا مدلی ریاضی است. حتی اگر حقیقت عینی پدیده , ثابت و پایدار هم باشد این امر را نمی توانیم از لایتغیر و پایدار بودن مدل ریاضی آن پدیده استنتاج بکنیم.

Thermodynamic
ترمودینامیک شاخه‌ای از فیزیک است که در آن ، برخی از خواص اجسام را که به علت تغییر دما ، متغییر می‌شوند، مورد مطالعه قرار می‌گیرد

مراحل مطالعه ترمودینامیک

قدم اول در مطالعه ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه است که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز می‌شود این قسمت را اصطلاحا سیستم می‌گویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در تماس با سیستم بوده و در تحولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم اندرکنش می‌کند، به مفهوم کلمه ، محیط اطراف می‌گوییم

قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که بررسی و مطالعه از آن دیدگاه صورت می‌گیرد. در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت وجود دارد که عبارتند از

دیدگاه ماکروسکوپیک

Macroscopic

دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ، یا خواص بزرگ مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل می‌دهند. بطور خلاصه ، توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه‌ گیری آن سیستم است

دیدگاه میکروسکوپیک

Microscopic

از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول

مولکول) که هر کدام از این مولکولها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی

E1 و E2 و ...

است، قرار می‌گیرد. این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستمهای مشابه ، یا جمعی از سیستمها ، آنرا در بر گرفته‌اند

سیر تحولی و رشد

زمانی که برابری حرارت با انرژی مکانیکی ، بطور قاطع محقق شد، موقع آن فرا رسید که کار دانشمند معروف «سادی کارنو» درباره قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ، تصمیم یابد. نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس

(Clausius)

و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین (Keluin) در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت. این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل می‌دهند، تدوین شد.
قوانین اساسی ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک

یک کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی (در حال تعادل) ، بطوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است.
قانون اول ترمودینامیک

اگر سیستمی فقط به طریقه بی‌دررو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بی‌دررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است

قانون دوم ترمودینامیک

هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل این آزمایشهای مربوط به گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست. به بیان دیگر می‌توان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخه‌ای آن باشد که بطور مداوم آزمایشهای مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل کند

قانون سوم ترمودینامیک

این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرآیند متناهی به صفر مطلق دست یافت. به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است. البته به نزدیکیهای صفر مطلق می‌شود رسید، اما خود صفر مطلق قابل دسترس نمی‌باشد.
ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک

کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید باهم ارتباط داشته باشند. زیرا آنها از دو راه مختلف ، وضعیت یکسانی را توصیف می‌کنند. بویژه ، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم.
بعنوان مثال فشار یک گاز ، عملا با استفاده از فشارسنج اندازه‌ گیری می‌شود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد می‌کنند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم
ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری

توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری ، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است. علاوه بر این ، بنیادی‌تر بودن نکات مکانیک آماری ، به ما امکان می‌دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم.
چشم انداز ترمودینامیک

توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه‌ گیری آن ، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است. این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخه‌های فیزیک هستند. اما در ترمودینامیک توجه ‌ما به داخل سیستم معطوف می‌شود، بنابراین دیدگاه ماکروسکوپی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تأکید می‌کنیم که رابطه‌ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.
تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به عهده آزمایش است. آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده می‌شوند. این مختصات ، برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار می‌آیند. هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند. سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی می‌گویند

مراحل مطالعه ترمودینامیک

·قدم اول در مطالعه ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه است که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز می‌شود این قسمت را اصطلاحا سیستم می‌گویند. بقیه فضا یا شی نمونه را که در تماس با سیستم بوده و در تحولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم اندرکنش می‌کند، به مفهوم کلمه ، محیط اطراف می‌گوییم.

·قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که بررسی و مطالعه از آن دیدگاه صورت می‌گیرد. در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت وجود دارد که عبارتند از:

دیدگاه ماکروسکوپیک (Macroscopic)

دیدگاه میکروسکوپیک (Microscopic)

از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول ( N مولکول) که هر کدام از این مولکولها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E1 و E2 و … است، قرار می‌گیرد. این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستمهای مشابه ، یا جمعی از سیستمها ، آنرا در بر گرفته‌اند.

سیر تحولی و رشد

زمانی که برابری حرارت با انرژی مکانیکی ، بطور قاطع محقق شد، موقع آن فرا رسید که کار دانشمند معروف «سادی کارنو» درباره قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر ، تصمیم یابد. نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس (Clausius) و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین (Keluin) در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت. این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل می‌دهند، تدوین شد.

قوانین اساسی ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک

یک کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی (در حال تعادل) ، بطوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است.

قانون اول ترمودینامیک

اگر سیستمی فقط به طریقه بی‌دررو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بی‌دررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است.

قانون دوم ترمودینامیک

هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گر�

پیشینه ترمودینامیک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری, جستجو

سیر تاریخی علم ترمودینامیک بصورت زیر می‌باشد (کلیه تاریخ‌ها میلادی می‌باشند):

۱۷۹۸- کنت رامفورد (بنجامین تامسون) مطالعه تبدیل کار به گرما را طی آزمایش مشهور مته و تخته آغاز نمود.

۱۷۹۹- سرهامفری دیوی تبدیل کار به حرارت را با آزمایش سابیدن یخ مطالعه نمود.

۱۸۲۴- سعدی کارنو تئوری مشهور خود «بازتابی بر نیروی محرک آتش» منتشر نمود که در برگیرنده اصل جدیدی در باره تعریف چرخه و اصلی که توضیف کننده آن بود که چرخه بازگشت پذیر بین دو منبع حرارتی تنها به دمای منابع بستگی دارد و نه به موادکاری

۱۸۴۲- مایر اصل بقا انرژی را ارائه نمود.

۱۸۴۷- هلمهولتز اصل بقا انرژی را بصورت مستقل از مایر فروموله نمود.

۱۸۴۳-۱۸۴۸- جیمز پریسکات ژول با ترتیب دادن آزمایشاتی چهارچوب تجربی قانون اول ترمودینامیک را بنیان نهاد. امروزه به پاس این دانشمند بزرگ حرف J برای نمایش معادل مکانیکی کار استفاده می‌شود.

۱۸۴۸- لرد کلوین (ویلیام تامسون) واحد درجه حرارت مطلق را بر مبنای چرخه کارنو تعریف نمود.

۱۸۵۰- رودلف کلاوزیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک پی برد.

۱۸۶۵- کلاوزیوس قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در دو خط بیان نمود:

·انرژی جهان دارای مقدار ثابتی است.

·آنتروپی جهان تمایل به بیشینه شدن دارد.

۱۸۷۵- جوسایا ویلارد گیبز گزارش سرنوشت ساز خود «در برابری مواد ناهمگون» را که ترمودینامیک را به سیستم‌های ناهمگون و واکنش‌های شیمیایی بسط داد منتشر نمود. این گزارش اصل مهم پتانسیل شیمیایی را توصیف می‌نمود.

۱۸۹۷- ماکس پلانک قانون دوم ترمودینامیک را به صورت: «غیرممکن است بتوان موتوری ساخت که در یک چرخه کامل کار نموده و اثر دیگری غیر از بالا بردن وزنه و خنک نمودن یک منبع حرارتی داشته باشد.» بیان نمود.

۱۹۰۹- کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود.

ترمودینامیک

مطالب مشابه :

دانلود تمامی کتابهای میچیو کاکو pdf+mp3

نیم رسانای نوع p و نوع n

شبیه سازی “تابش هاوکینگ” در آزمایشگاه

ده معمای بزرگ عالم

گرما عامل بزرگترین انقراض زمین در 250 میلیون سال گذشته

ترمودینامیک

سنسورهای حرارتی

بیوگرافی دیوید هیلبرت