ساده سازي و شهودي کردن فيزيک، امتياز نظريه سي. پي. اچ. است نه ضعف آن

۱۳۸۶ تیر ۲, شنبه ۲۱:۵۶ By Hamedan , In

مقدمه:

ترمودینامیک و قوانین آن بخش مهمی از فیزیک را بخود اختصاص داده است. اما این قوانین در زمانی تدوین شد که هنوز نسبیت و فیزیک کوانتوم ارائه نشده بودند. اما امروز با پیشرفت حیرت انگیزی که در زمینه ذرات بنیادی بوجود آماده الزاماً قوانین ترمودینامیک و نگرش به انتروپی باید مورد بازبینی مجدد قرار گیرد. در فصل قبل (فصل 88 :  معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ.  ) گرما از دیدگاه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار گرفت. در این فصل سعی می شود قوانین ترمودینامیک از اصل سی. پی. اچ. استخراج شود. همچنانکه در فصل گذشته گفته شد از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. کمیتی را که ما بعنوان انرژی (یا گرما) معرفی می کنیم، همان ماده است که با سرعت انتقالی حد c در دستگاه لخت حرکت می کند. و ماده چیزی جز انرژی نیست که با سرعت v<c منتقل می شود. نسبت به یک دستگاه لخت مقدار v بین صفر و c یعنی  قابل تغییر است. هرگاه v=c گردد ، ماده به انرژی تبدیل شده است. اما قبل از تشریح قوانین ترمودینامیک از دیدگاه سی. پی. اچ.، لازم است اشاره کوتاهی به چرخه سعدی کارنو داشته باشیم.
 
 
چرخه کارنو
اولین اثر مهم نیکولاس سعدی کارنو جزوه‌ای بود که در سال یکهزارو هشتصدو بیست و دو نگاشت و در آن برای تعیین رابطه ی ریاضی کار تولید شده به وسیله ی یک کیلوگرم بخار تلاش کرد. پس از انتشار این اثر به تحقیقا ت خود ادامه داد و نظریات خود را کامل تر کرد که یاداشت هایی از آن ها به جای مانده است. در آن زمان ماشین بخار به وسیله ی جیمز وات اختراع شده بود و در صنعت نقش مهمی ایفا می کرد. با این حال علیرغم کوشش های صنعت گران بازده آن بسیار اندک بود. بد نیست بدانیم که در آن زمان هنوز اطمینان کاملی نسبت به قانون بقای انرﮊی وجود نداشت انرﮊی و گرما متفاوت از هم انگاشته می شدند و اصولا گرما به عنوان ماده یی بی وزن و نامریی پنداشته می‌شد. کارنو سعی کرد موضوع ایجاد نیروی محرک را مستقل از هر نوع دستگاه به کار گرفته شده در نظر گیرد و سرانجام به این نتیجه رسید که بیشترین بازده‌ای که می توان از هر نوع ماشین گرمایی گرفت به اختلاف دمای دو چشمه ( یا دیگ) سرد و داغ بستگی دارد. برای این کار او چرخه یی را معرفی کرد که اکنون به افتخار او چرخه ی کارنو نامیده می‌شود و بنا به آن ماده ی واسطه در طی پروسه ی تبدیل از مایع به گاز و انجام کار و برگشت به حالت مایع دو فرایند آرمانی بی در رو، و دو فرایند آرمانی هم دما انجام می دهد (شکل زیر). در این پروسه جریان خود به خودی گرما (یا آن گونه که کارنو و هم عصرانش تصور می کردند "جریان کالریک") همواره از چشمه ی داغ به سوی چشمهٔ سرد روان می‌شود و ماده ی واسطه با دریافت گرما از چشمه ی داغ و انجام کار، بقیه را به جشمه سرد می فرستد. اثر کارنو تحت عنوان "تفکرات درباره ی قدرت حرکتی آتش " به هنگام انتشار چندان مورد توجه قرار نگرفت.
 
در چرخه ی کارنو همواره مقداری گرما به محیط (خارج از سیستم گرما+ ماشین کار) منتقل می شود
و هیچ ماشینی نمی تواند همه ی گرمای ورودی را به کار تبدیل کند.
 
چرخه ی کارنو از دیدگاه سی. پی. اچ.
هنگامیکه چرخه ی کارنو مطرح شد، نه تنها جرم و انرژی دو کمیت مختلف بودند، حتی قانون بقای انرژی نیز عمومیت نیافته بود. در حالیکه در فیزیک مدرن علاوه بر آنکه گرما نوعی انرژی محسوب می شود، انرژی نیز با ماده هم ارز است و هر ذره/جسمی را می توان با مقدار جرم یا محتوای انرژی آن نشان مشخص کرد. لذا با تکیه بر اصول چرخه ی کارنو و فیزیک مدرن چرخه ی انرژی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار می گیرد.
 
در اینجا چرخه بصورت گرما - کار - سرما نیست، بلکه بصورت کلی انرژی ورودی - ابزار - انرژی خروجی است. در چرخه کارنو، که در مقاله "تفکرات درباره ی قدرت حرکتی آتش " مورد بررسی قرار گرفت، تنها تبدیل انرژی گرمایی به کار مکانیکی مورد توجه بود. که به دلیل شرایط تاریخی و نیاز آن زمان به استفاده از ماشین بخار مطرح شد. آن زمان بحثی در مورد انرژی الکتریکی و یا تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی نبود. در قرن نوزدهم دغدغه اصلی تکنولوژی بازدهی ماشین های حرارتی بود که گرما را بکار مکانیکی تبدیل می کردند، در حالیکه امروزه بطور کلی تبدیل نوعی انرژی به نوعی دیگر و حتی انتقال انرژی از نقطه ای به نقطه دیگر مورد نظر است (مانند الکتریسیته). بنابراین در اینجا یک سیستم داریم که مقدار انرژی E1 وارد آن می شود، ابزار A انرژی ورودی را به نوع دیگری از انرژی تبدیل یا به نقطه ای دیگر منتقل می کند و انرژی خروجی برابر E2  می شود. با استفاده از اصل سی. پی. اچ. ثابت می شود، مستقل از نوع ابزار و اینکه انرژی ورودی و خروجی چه نوع انرژی باشند (حتی از یکنوع)، در هر محیط واقعی همواره E2<E1 خواهد بود و E1-E2>0 از سیستم به محیط منتقل می شود.
 
چرا یک جسم داغ سرد می شود؟
جسم داغی را در یک محیط سرد قرار می دهیم. پس از مدتی دمای آن کاهش می یابد و با محیط در تعادل گرمایی قرار می گیرد. چرا جسم داغ سرد می شود و اصولاً تعادل گرمایی چیست؟ یک مخزن گاز با دمای T1 را در محیطی  با دمای T2 که T1>T2 است، قرار می دهیم. پس از مدتی دمای هر دو (مخزن گاز و محیط) به T می رسد، بطوریکه:
T1>T>T2
فرض کنیم ظرف گاز دارای n موکول گاز باشد که با سرعتهای مختلف  حرکت می کنند، اما می توان با در نظر گرفتن میانگین سرعتها مسئله را بررسی کرد. این مولکولها با یکدیگر و با جدار مخزن برخور می کنند و در تبادل اندازه حرکت و انرژی هستند. توجه شود که در اینجا با یک سیستم واقعی رو به رو هستیم. لذا در این برخوردها می توان بقای اندازه حرکت را منظور کرد، اما نمی توان از قانون بقای انرژی(در داخل ظرف) استفاده کرد. حال انتقال انرژی از مخزن گاز به محیط و در نتیجه سرد شدن گاز را از دو طریق بررسی می کنیم (شکل زیر). 
انتقال حرارت از گاز به محیط
 
در شکل بالا (1) دو مولکول گاز با یکدیگر برخورد کرده و بر اثر آن یک فوتون منتشر می شود. فوتون مزبور طی چندین کنش با مولکولهای مختلف سرانجام به دیواره ظرف می رسد و جذب آن می شود. یک الکترون در دیواره ظرف با جذب فوتون به تراز انرژی بالاتر صعود می کند و دیواره گرم می شود. سپس فوتون یاد شده تابش می شود و دیواره به حالت قبل بر می گردد. در قسمت (2) یک مولکول با دیواره ظرف برخورد کرده و یک فوتون تولید و به محیط خارج ظرف منتقل می شود. هرچه دمای ظرف بیشتر باشد، تعداد و انرژی فوتونهای تابشی بیشتر است. از طرف دیگر انرژی جنبشی مولکولهای موجود در گاز، تنها مربوط به الکترون آنها نیست، بلکه هسته ی اتمها نیز در این انرژی جنبشی سهیم هستند و هنگام برخورد و انتشار موج الکترومغناطیسی، هسته ها نیز قسمتی از انرژی جنبشی خود را از دست می دهند. همچنانکه شکل بالا (3) نشان می دهد، این فرایند یکطرفه نیست، بلکه تمام گازها، مایعات و فلزات تابش می کنند، اما با مکانیزمهای مختلف.  بهمین دلیل دو محیط که کنار هم قرار دارند، با یکدیگر در حال تبادل گرمایی بسر می برند تا به حالت تعادل برسند. در حالت تعادل نشر انرژی وجود دارد اما مقدار ورودی و خروجی با هم برابرند. بهمین دلیل هر دو جسمی که با هم در حالت تعادل گرمایی باشند، دارای دمای یکسانی هستند. بنابراین جریان تابش فرایندی دائمی و داخلی است که هیچ ربطی به محیط ندارد و اثر محیط تنها به انتقال گرما از بیرون به درون محدود می شود. بعنوان مثال در سیستم خورشید و زمین، زمین تابش می کند، بهمین دلیل هنگام شب سطح زمین، آب دریاها و هوای جو سرد می شود و روز بعد با تابش مجدد خورشید دوباره گرم می شوند. اگر زمین گرما دریافت نکند، با تابش طولانی مدت سرد و سرد تر می شود. اما چرا اجسام تابش می کنند و این تابش تا کجا ادامه دارد؟
 
حالت پایه ذرات بنیادی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
در نظریه سی. پی. اچ. همه ذرات از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل شده اند. علاوه بر آن انرژی نیز از سی. پی. اچ. تشکیل می شود. بنابراین یک اتم متحرک دارای دو گونه سی. پی. اچ. است، یکی سی. پی. اچ. هایی که ساختمان ذاتی ذرات را شکل می دهند و دیگری سی. پی. اچ. هایی که عامل انرژی این ذرات است. بعنوان مثال یک ظرف محتوی گاز را در نظر بگیرید که در دمای T1 است و مولکولهای گاز با سرعت متوسط v1 حرکت می کنند. حال گاز را حرارت می دهیم تا دمای آن به T2 برسد. در این حالت سرعت متوسط مولکولها به v2  می رسد. انرژی جنبشی هر یک از مولکولهای گاز برابر است با مجموع انرژی ذرات تشکیل دهنده ی آن. یعنی الکترونها، پروتونها و ... نیز با افزایش دما دارای انرژی بیشتری می شوند.(شکل زیر).
 
در قسمت A ذرات بنیادی در ساختمان اتم انرژی جنبشی کمتری دارند.
در قسمت B با حرارت دادن گاز، ذرات بنیادی نیز انرژی کسب کرده اند.
 
همچنانکه در شکل بالا نشان داده شده، هرچه به گاز حرارت بیشتری داده شود، ذرات بنیادی درون ساختمان اتمی نیز انرژی بیشتری خواهند داشت و همراه مولکول با سرعت بیشتری حرکت می کنند. حال اگر به جای آنکه به گاز حرارت دهیم، بطریقی حرارت آن را بگیریم (گاز را سرد کنیم)، سئوال اساسی این است که چقدر می توانیم گاز را سرد کنیم بطوریکه همه ی ذرات بنیادی اتمهای آن دارای خواص ذاتی خود باشند، منظور از خواص ذاتی همه ی کمیتهایی است که ذرات را از یکدیگر متمایز می کند. مثلاً انرژی ذرات از  ویژگی ذاتی آنها محسوب نمی شود، در حالیکه بار الکتریکی الکترون از ویژگی های ذاتی آن است. بنابراین از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. حالت پایه ذرات، حالتی است که ذرات دارای ویژگیهایی ذاتی خود هستند، بطوریکه با کمترین انرژی ممکن می توانند انسجام اتمی و مولکولی خود را حفظ کنند (شکل زیر).
 
در حالت پایه هیچ تابشی وجود ندارد. دما صفر مطلق و سرعت انتقالی نیز صفر است.
اتم جامدات در جای خود حرکت ارتعاشی دارند، مایعات در اطراف خود حرکت می کنند و گازها با سرعت متوسط حرکت می کنند
 
اینکه حالت پایه در نظریه سی. پی. اچ. بر صفر مطلق یعنی  15/273- درجه کلوین منطبق هست یا نه، مطلبی است که آزمایشات نشان خواهد داد. اما با تعریفی که در ترمودینامیک از صفر مطلق می شود، قاعدتاً باید بر هم منطبق باشند.
 
فرض کنیم مقداری ماده در حالت پایه قرار دارد. با تابش الکترومغناطیسی ماده را حرارت می دهیم. یعنی تعدادی CPH که با سرعت c حرکت می کنند وارد سیستم می شود. اندازه حرکت اولیه سیستم صفر است، زیرا سیستم در حالت پایه قرار دارد. فرض کنیم سیستم دارای n عدد CPH است که همگی با سرعت v1=0 حرکت می کنند (ساکن هستند). حال مقداری گرما (انرژی) که از k تا CPH  تشکیل شده که با سرعت خطی c حرکت می کنند، وارد سیستم شده و همگی چذب ذرات درون سیستم می شوند. بنابراین اندازه حرکت سیستم تغییر می کند و مجموعه k+n عدد CPH با سرعت خطی v به حرکت در می آیند، یعنی:
که در آن mCPH جرم سی. پی. اچ. و v سرعت متوسط مولکولها است. هرچه بیشتر به سیستم حرارت داده شود، سرعت متوسط مولکولها بیشتر می شود. در تجربه های روز مره از جمله گرم کردن آب یا حرارت دادن به یک تکه آهن یا گاز داخل ظرف، همه از این رابطه کلی پیروی می کنند و اندازه حرکت ذرات تشکیل دهنده ی سیستم تغییر می کند. در جامدات افزایش اندازه حرکت موجب ارتعاش سریعتر آنها می گردد در حالیکه در گاز باعث افزایش سرعت متوسط مولکولها می گردد. 
بهمین ترتیب می توان تابش را با خروج سی. پی. اچ. از سیستم توضیح داد. هنگامیکه جسم تابش می کند، تعدادی سی. پی. اچ. بصورت امواج الکترومغناطیسی و با سرعت نور c از سیسم خارج می شود و اندازه حرکت و در نتیجه انرژی سیستم کاهش می یابد.
 
تابش از دیدگاه سی. پی. اچ.
در نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي قابل تبديل به يکديگرند، يعني نيرو به انرژي تبديل مي شود و انرژي نيز به نيرو تبديل مي گردد. با توجه به رابطه
اگر کار مثبت باشد، انرژي جسم (يا ذره ) افزايش مي يابد که در اين صورت نيرو به انرژي تبديل شده است. اگر کار انجام شده روي جسم منفي باشد، يعني جسم انرژي از دست بدهد، انرژي به نيرو تبديل مي شود. آگر کار انجام شده برابر با صفر باشد، هيچ تغييري در انرژي جسم ايجاد نمي شود.
بنابراين هنگاميکه الکترون در ساختمان اتم روي مداری خاص به دور هسته مي گردد، هرچند داراي شتاب است اما کار انجام شده روي آن صفر است و تغييري در انرژي آن ايجاد نمي شود. اما هنگاميکه الکترون شتاب بگيرد، بطوريکه کار انجام شده روي آن صفر نباشد، امواج الکترومغناطيسي تابش مي کند. يعني تابش امواج الکترومغناطيسي توسط ذره ي باردار تابع کاري است که روي آن انجام مي شود. در اين بحث هنوز دو نکته مشخص نشده است، يکي اينکه اصولاً چگونه تابش امواج الکترومغناطيسي توسط ذره ي باردار شتاب دار قابل توضيح است؟ و ديگر اينکه چرا هنوز تابش ذره ي باردار در ميدان گرانشي (آنچنان که نسبيت پيش گويي کرده) با تجربه ثابت نشده است؟
 
طبق نظريه ي سي. پي. اچ. هرگاه يک ذره ي باردار حرکت کند، گرانش در مقابل اين حرکت مقاومت مي کند و مقاومت گرانش با حرکت ذره ي باردار به صورت نيروي مغناطيسي ظاهر مي شود. اما اگر ذره ي باردار علاوه بر سرعت، شتاب نيز داشته باشد بطوريکه کار انجام شده روي آن مخالف صفر باشد، امواج الکترومغناطيسي تابش مي کند. در ساختمان اتم جون کار انجام شده روي الکترون صفر است ، لذا تا زمانیکه در یک مدار خاص حرکت می کند، انرژي تابش نمي کند.
بنابراين تابش امواج الکترومغناطيسي يک بار شتاب دار تابع مقدار کاري است که روي آن انجام مي شود . در مورد سقوط يک ذره ي باردار در ميدان گرانشي بايد به جرم ناچيز ذره توجه کرد که با توجه به رابطه ي
W=F.d=mgh
کاري که نيروي گرانش روي ذره ي باردار انجام مي دهد بسيار ناچيز است و آشکار سازی آن به ابزار بسيار دقيقي نياز دارد.
 
علت تابش گرما توسط اجسام
حال به ساختمان اتم برگردیم و تابش گرما توسط اجسام را بررسی کنیم. هرچند که طبق مدل اتمی بوهر و معادلات شرودینگر، تا الکترون از مدار بالاتر به مدار پائین تر سقوط نکند تابش نمی کند، اما این تمام واقعیت نیست. زیرا اتم حالت استاتیک ندارد و دائماً ذرات درون آن تحت تاثیر یکدیگر قرار دارند. لذا با حرکت مولکولها یا نوسان آنها در کنار هم، با در نظر گرفتن میدانهای الکترومغناطیسی موجود در اطراف ذرات تشکیل دهنده ی آنها، این ذرات دائماً روی یکدیگر کار انجام می دهند، بنابراین ذرات زیر اتمی موجود در سیستم، بطور مداوم توسط یکدیگر شتاب می گیرند و موج الکترومغناطیسی منتشر می کنند. مقدار و شدت تابش در اجسام تابع سرعت حرکت یا نوسان ذرات باردار موجود در سیستم است (شکل زیر). 
نمایی ساده از اتمها در یک سیستم
 
در شکل بالا نمایی ساده از اتمهای موجود در سیستم نشان داده شده است. اتمها در مجاورت هم حالت دوقطبی الکتریکی دارند، زیرا بار های منفی یکدیگر را دفع می کنند و الکترونها به یک سمت و هسته بسمت دیگر رانده می شود. اما به علت حرکت اتمها (یا مولکولها)، حالت الکتریکی اتمها ثابت نمی ماند و دائماً تغییر می کند، این تغییرات که ناشی از اعمال نیروی خارجی است، روی ذرات بار دار اتم کار انجام می دهد و موجب شتاب گرفتن آنها می شود. ذره ی باردار شتاب دار، انرژی الکترومغناطیسی تابش می کند. تابش انرژی گرمایی موجب از دست دادن انرژی درونی سیستم می شود و سیستم بتدریج سرد می شود. فرکانس تابش تابع دمای سیستم است (شکل زیر). 
با افزایش دمای سیستم، فرکانس تابش نیز افزایش می یابد.
در شکل بالا نشان داده شده که چگونه با افزایش دمای سیستم فرکانس تابش از قرمز بسمت زرد، سبز، آبی و سر انجام به ماورای بنفش جابجا می شود. اجسام در دمای معمولی تابشی با طول موجهای بلند دارند، با افزایش دما رنگ (طول موج) تابش تغییر می کند، اما تابش های قبلی را نیز با شدت کمتری ادامه می دهد. حال اگر فرمول وین و بیشترین تابش را مرور کنیم (شکل زیر)، بخوبی همه تابش ها را می توان توضیح داد.
در میان همه تابشهایی که جسم گسیل می کند، شدت بیشترین تابش آن تابع دمای آن است
 
بیشترین تابش جسم تابع دمای آن است، اما سایر تابش ها نیز ولی با شدت کمتری وجود دارند. احتمال اینکه یک جسم سرد فوتون بنفش تابش کند وجود دارد، اما این احتمال و تعداد فوتونهای بنفش خیلی کم است، در حالیکه احتمال سایر تابش ها بیشتر است و هرچه به طول موج بلندتر نزدیکتر شویم، احتمال تابش آن بیشتر می شود.
 
زیر طبق نظریه سی. پی. اچ. تابش به دلیل کاری که روی ذرات باردار انجام می شود صورت می گیرد. برای توضیح بهتر گاز درون ظرف را در نظر بگیرید که به آن حرارت می دهیم. مولکولها از دو طریق روی یکدیگر کار انجام می دهند:
1 - برخورد مستقیم: در این حالت به کار زیادی که بر اثر برخورد روی ذرات باردار انجام می شود، ذرات شتاب زیادی می گیرند، بنابراین انرژی تابش نیز زیاد است.
2- اثر تغییر میدان: در این حالت مولکولها از کنار یکدیگر عبور می کنند (اما برخورد نمی کنند) و موجب شتاب جزئی ذرات باردار می شوند و چنین شتابی موجب تابش امواج الکترومغناطیسی با طول موجهای بلند می شود.
 
این دو حالت را می توان کار منفی سیستم روی خودش نامید که موجب می شود بر اثر تابش، جسم سرد شود. سرد شدن نیمه تاریک ماه یا زمین به دلیل کار منفی است که سیستم روی خود انجام می دهد.
در فرایند بالا یک حالت خاص وجود دارد که کار منفی سیسم روی خودش را محدود می کند. برای اجسام کوچک گرانش نقش قابل توجهی ندارد. اما با افزایش جرم، آثار فشار گرانشی ظاهر می شود و موجب تغییرات کلی در سیستم می گردد. افزایش جرم سیستم باید در حدی باشد که اتمهای موجود در سیستم بر اثر شتاب گرانشی سرعت قابل توجهی بگیرند. با سرعت گرفتن اتمها برخورد بین آنها موجب تابش بیشتر می شود و از این لحضه به بعد، سیستم خود گرمازا خواهد شد. تشکیل ستارگان بر این اساس است. وقتیکه جرم به اندازه کافی افزایش یافت، اتمها به سرعتهای بالا می رسند و بر اثر برخورد با یکدیگر ترکیب شده و جوش هسته ای آغاز می گردد و مقادیر متنابهی انرژی آزاد می شود و سیستم داغ و داغتر می شود. اما در اینجا نیز سیستم کار منفی روی خود انجام می دهد، اما کار مثبتی که روی خودش انجام می دهد، بیشتر از کار منفی است.
 
کار انجام شده توسط سیستم روی خودش
سیستمی را در نظر بگیرید که دارای دمای T است. بنابر آنچه که در بخش قبل گفته شد، ذرات درون سیستم روی یکدیگر کار انجام می دهند و موجب تابش گرمایی می شوند. بنابراین می توان یک تابع کار دورنی برای سیستم تعریف کرد که تابع دمای سیستم است. هرچه دمای سیستم بالاتر باشد، کار بیشری انجام می شود. اما کار انجام شده توسط سیستم روی خودش منفی است، زیرا بر اثر این کار، سیستم گرما منتشر می کند و از دمای آن دائماً کاسته می شود. در هر صورت تابع کار بصورت زیر است:
W=W(T)<0
چون کار انجام شده روی سیستم منفی است، بنابراین انرژی درونی سیستم دائماً کاهش می یابد. از طرف دیگر هرچه کار بیشتری توسط سیستم روی خودش انجام شود، دما بیشتر کاهش می یابد. بنابراین توان هر سیستمی با گذشت زمان کاهش می یابد. اگر توان سیستم را با p نشان دهیم می توان برای هر سیستم اختیاری بصورت زیر تعریف کرد:
تابع توان سیستم
که در آن dp/dt تغییرات توان سیستم نسبت به زمان و k جمع جبری تعداد سی. پی. اچ. های خروجی و ورودی به سیستم در واحد زمان است. یعنی:
k=k1-k2
که در آن k1 تعداد سی. پی. اچ. های خروجی و k2 تعداد سی. پی. اچ. های ورودی به سیستم است. اگر k>0 باشد، توان کاهش می یابد، زیرا تعداد سی. پی. اج. های خروجی بیشتر از تعداد ورودی است و سیستم در حال سرد شدن است مانند تابه ای که از روی اجاق برداشته شود. اگر k<0 باشد، توان سیستم رو به افزایش است مانند گاز در حال گرم شدن.
برای دو سیستم که در حال تبادل گرمایی هستند نیز می توان از همین رابطه استفاده کرد. برای این دو سیستم می توان گفت هرگاه k=0 باشد، دو سیستم در حال تعادل گرمایی هستند. برای یک سیستم منزوی همواره داریم: p2<p1  زیرا هر سیستم منزوی فقط تابش می کند و توان آن کاهش می یابد.
در طبیعت هیچ سیستم منزوی واقعی وجود ندارد، زیرا خود کیهان دارای تابشی است که  تابش زمینه ی کیهان نامیده می شود. این تابش دمایی در حدود 70/2 درجه کلوین حرارت دارد. بنابراین حتی اتمها و مولکولهای پراکنده در کیهان نیز از فضا انرژی دریافت می کنند و به حالت پایه نمی رسند. 
 
مخازن انرژی و ابزارها
سه سیستم A و B و C را در نظر بگیرید که که در آن A و C مخازن انرژی هستند و B ابزار (ماشین) که انرژی را بکار تبدیل می کند. بعنوان مثال فرض کنیم مخزن A انرژی الکتریکی (برق) است که توسط یک سیسم های انتقال وارد کارحانه می شود. و B ماشین آلاتی است که انرژی الکتریکی را بکار تبدیل می کند و C جریان آب (یا هوا) است که ماشینها را خنک می کند و گرم می شود و سپس انرژی آن برای بکار انداختن ماشین دیگری بکار می رود (شکل زیر). 
 یک سیستم با انرژی بالاتر در یک محیط واقعی
 
فرض کنیم مخزن A شامل کنتور برق و سیمهای انتقال است تا انرژی را به ماشین برساند. این مخزن یک سیستم واقعی با توان منفی است، زیرا روی خودش کار کار منفی (هرچند ناچیز) انجام می دهد. انرژی E1 وارد ماشین آلات می شود. ماشین آلات نیز یک سیستم واقعی است و روی خودش کار منفی انجام می دهد. بهمین ترتیب مخزن C نیز یک سیستم واقعی است و روی خودش کار منفی انجام می دهد. بهمین دلیل هر کدام از سیستمهای A, B, C که از بیرون تغذیه نشوند، بمرور توانش تحلیل می رود و توانایی انجام هیچ کاری را نخواهد داشت. انرژی تلف شده به محیط (محیط کارخانه) منتقل می شود.
 
نظریه سی. پی. اچ. و قوانین ترمودینامیک
در اینجا قوانین ترمودینامیک را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می کنیم. در نظریه سی. پی. قوانین ترمودینامیک و انتروپی با توجه به دستاوردهای فیزیک مدرن بطریقی بیان می شود که قانون بعدی مکمل قانون قبلی باشد:
قانون اول ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
تغییرات انرژی درونی برابر مجموع کار انجام شده بر روی سیستم و گرمای داده شده به آن می باشد. به عبارت دیگر اگر تغییرات انرژی درونی را با  Δu ، کار انجام شده بر روی سیستم را با W و گرمای داده شده به آن را با Q  نشان دهیم، خواهیم داشت:
Q+W=Δu
و یا: 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 اول ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر سیستمی روی خودش کار منفی انجام می دهد که مقدار آن برابر است با تابش ذاتی سیستم. برای ثابت ماندن انرژی درونی یک سیستم باید به سیستم انرژی داده شود، مقدار انرژی لازم برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم برابر است با کار منفی که سیستم روی خودش انجام می دهد. به عبارت دیگر اگر سیستم با توان p روی خودش کار انجام دهد، یعنی با توان P تابش کند، برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم باید به همین میزان به سیستم انرژی داده شود.
 
قانون دوم ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
صورت اول، بیان کلوین: فرآیندی که تنها نتیجه آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، به هیچ وجه ممکن نیست.
صورت دوم، بیان کلاوسیوس: انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرمتر، بدون انجام کار، ممکن نیست.
ویا: هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل 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 دوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر فرایندی که انرژی را به کار تبدیل می کند، دارای توان منفی p است که برابر است با کاری که فرایند روی خودش انجام می دهد که موجب تابش می شود. بنابراین هیچ ماشین آرمانی که بتواند همه ی انرژی دریافتی را بکار تبدیل کند وجود ندارد. بعبارت دیگر، اگر به یک فرایند که انرژی را بکار تبدیل می کند با با توان p1 انرژی دارده شود، بازدهی فرایند برابر p2 خواهد بود که از رابطه ی زیر به دست می آید:
p2=p1-p
از آنجاییکه هر سیستمی با توان p>0 روی خودش کار منفی انجام می دهد، بنابراین همواره  P2<p1
 

قانون سوم ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)

این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک

0 نظرات:

ارسال یک نظر

اشتراک در: نظرات پیام (Atom)