مفهوم قانون دوم ترمودینامیک
مروز در ادامه آموزشهای تصویری، یکی دیگر از مستندهای مهندسی را برای شما آماده کرده ایم. در این ویدیو قصد داریم مفهوم قانون دوم ترمودینامیک را توضیح دهیم
قانونِ دومِ ترمودینامیک بر پایه قوانین طبیعی بنیان گذاری شده و بدون شک یکی از ارزشمندترین اکتشافات بشریت است
با این حال، مفهوم قانون دوم ترمودینامیک برای بخشی از مهندسین یا دانش آموزان کمی گیج کننده است
مفهوم قانون دوم ترمودینامیک
دلیل اصلی این امر، تعدادِ زیادِ اصطلاحاتِ پیچیده آن است و راه های زیادی وجود دارد که میتوان قانونِ دوم را ثابت کرد
اما مهمتر از همه، اکثر آنها را درک نمی کنند که کاربرد های این قانون چیست؟
در این ویدئو، ما با حداقل استفاده از ریاضیات یک درک واقعی از این قانون ایجاد خواهیم کرد
سوالی که میلیون ها دلار می ارزد این است
اهداف قانون دوم ترمودینامیک
این قانون چه اهدافی دارد؟
یکی از کاربردهایِ اصلیِ قانونِ دومِ ترمودینامیک مشخص کردن آن استکه کدام فرآیند به خودی خود به وجود آمده‌است
بیایید با چند مثال آن را روشن کنیم در اینجا دو گاز وجود دارد که با هم مخلوط می‌شوند
یا هوا از یک بالون خالی می‌شود و خمیر در حال افتادن است و چای داغ ، حرارت خود را از دست می‌دهد
شما می ببینید که فرآیند که از حالت ۱ به حالت ۲منتقل می شود
یعنی خود به خود به وقوع می پیوندد و این مفهوم را می رساند که بدون هیچ گونه دخالت خارجی رخ می دهد
اما اگر این فرآیند برعکس شودچطور؟آیا این اتفاق به خودی خود خواهد افتاد؟
آیا گاز مخلوط خودبخود و بدون دخالت خارجی از هم جدا می شود؟
می دانید که این اتفاق نخواهد افتاد
پس این فرایند خودبخود نیستبا این حال،طبق قانون بقایِ انرژی یا قانون اول ترمودینامیک حتی در روند معکوس هم ممکن است اتفاق بیفتد زیرا انرژی در هر دو مورد، یکسان است
پس چه چیزی اینجا کم شده است؟
باید یک قانون دیگر باشد که مسیر فرآیند را نشان می دهد و این قانون، قانون دوم ترمودینامیک است
حالا شما ممکن است بپرسید آیا واقعا برای پیش‌بینی مسیر یک فرآیند نیاز به یک قانون دارم؟
من می توانم همه این فرایندها را با درک مستقیم پیش بینی کنم
اگر چنین سوالاتی را در ذهن خود دارید اجازه دهید با یک مثال دیگر آن را تحلیل کنیم
این یک واکنش شیمیایی است من اینجا قصد دارم دو ماده شیمیایی را در یک اتاق قرار دهم و منتظر واکنش آنها با هم باشم
من می خواهم ببینم آیا دواتم آبی با یک اتم زرد واکنش نشان می دهدو یک مولکول جدید ایجاد می کنند؟
آیا شما جواب این مساله را می دانید؟
این را نمی توان با درک کردن پیش بینی کرد
“Inequality از Clausius”
این یک معادله انتگرال کوچک است، اما با معانی بسیار عمیق استلطفا با این معادله تحریک نشوید ?
ما برای انجام آن یک آزمایش فیزیکی انجام می دهیم
Inequality of Clausiusبدین معنی است که اگر یک فرآیند چرخه‌ای مانند یک یخچال دارید،و تمام کنش گرمایی که در محدوده تقسیم‌شده
با درجه‌حرارت ( T )در حد مجاز رخ می‌دهد ،مقدار حاصله کم‌تر یا مساوی صفر خواهد بود
این برابری جالب است که برای تمام فرآیند های چرخه ای درست است
بیایید inequalityرا باز تر کنیم اجازه دهید یک واژه جدید را معرفی کنیم
” (S)اصطلاح معروف “آنتروپی
آنتروپی دارای دو بخش است یکی نشان دهنده اختلال(بی نظمی) است، و دیگری، اثر انتقال حرارت را توصیف می کند در اینجا یک اشتباه رایج را روشن می کنیم
آنتروپی نه تنهاشامل بی نظمی است، بلکه شامل یک قسمت دیگر نیز می شود که آن انتقال حرارت است
به طور خلاصه، تغییرِ آنتروپی یک فرآیند را می توان به صورت مجموع تغییرپذیری تولید آنتروپی و انتقال آنتروپی تعریف کرد
در یک فرآیند کاملا برگشت‌پذیر که در آن اصطکاک یا ترکیبی نداشته باشد تولید آنتروپی برابر با صفر است
اگر از این تعریف آنتروپی درClausius Inequality استفاده کنید
می‌توانیم به طور ریاضی ثابت کنیم که در طول یک فرآیند خود به خودی آنتروپی همیشه افزایش پیدا میکند
پس این به عنوان اصل افزایشِ آنتروپی شناخته می شوداین یک روش بسیار مفید برای قانون دوم است
حالا بیایید برای درک بهتر این اصل یک مثال بزنیم مشکل چای داغ را در نظر بگیرید
ما می خواهیم بدانیم که چرا چای حرارت را دفع و یا جذب میکند
چای را سیستم در نظر میگیریم و بقیه را محیط با فرض اینکه چای گرما را جذب می کند
“Qیک ” را برابر با ۱۰ژول فرض می کنیم
پس تغییرات آنتروپی چای داغ برابر با ۱۰ تقسیم بر دمای فنجان بر حسبِ کِلوین همان مقدار گرما از محیط کم می شود
پس تغییرات آنتروپی محیط یعنی منفی ۱۰تقسیم بر دمای محیط بر حسب کلوین
اگر این دو را با هم جمع کنید، تغییرات آنتروپی کل را بدست خواهید آورد
در این مورد جواب منفی بدست می آید این در قانون دوم غیر ممکن است
حالا بیایید فرض کنیم چای داغ در حال از دست دادن حرارت است و در این موردQ =-10باشد،
شما می توانید ببینید که تغییرات آنتروپی کل، مثبت بدست می آید و این امکان پذیر است
قسمت اول
گوینده: نگین ثقفیان
ترجمه :مهندس محسن میرزایی
کاری از گروه دوبلاژ آترینا
و کانال مستند های مهندسی