آموزش ترمودینامیک

[ریپورتر]

سلام خدمت تمام دوستان عزیز در این بخش آموزش ترمودینامیک را شروع میکنیم و امیدوارم خوب پیش برود از تمام دوستانی که می توانند در این مورد همکاری کنند دعوت میشود تا با این جانب همکاری کنند
با تشکر فراوان

[ریپورتر]

اين شاخه از فيزيك به مطالعه گرما و حركت، روابط بين گرما و انرژي مكانيكي، الكتريكي و ساير انواع انرژي يا كار مي‌پردازد. ترموديناميك مبحثي مشترك بين شيمي و فيزيك است كه در كتاب سال سوم شيمي هم درباره آن مطالبي را مي‌خوانيد.

در ترموديناميك دسته‌اي از مولكول‌ها را از بقيه مولكول‌ها جدا كرده و يا جدا در نظر مي‌گيرند و سپس به بررسي آنها
مي‌پردازند. اصطلاحاً اين مولكول‌هاي جدا شده يا جدا در نظر گرفته را سيستم يا دستگاه (System) مي‌نامند. به فضاي اطراف سيستم، محيط (Surroundings) گفته مي‌شود.

http://mazjin.persiangig.com/image/thermo/System.gif
سيستم توسط مرزي از محيط جدا مي‌شود.
اساس و پايه ترموديناميك را كميت‌هاي ماكروسكوپيك تشكيل مي‌دهند. فشار، حجم و دما سه كميت مهم ماكروسكوپيكي هستند. اين سه كميت را در مورد هر سيستمي بدون اطلاع از رفتار تك‌تك مولكول‌هاي آن به راحتي مي‌توان تعيين نمود. اصطلاحاً گفته مي‌شود كه كميت‌هاي ماكروسكوپيك وضعيت ماده را در مقياس بزرگ تعيين مي‌كنند. در مقابل كميت‌هاي ماكروسكوپيك، كميت‌هاي ميكروسكوپيك قرار مي‌گيرند.
از نظر سير تاريخي هم ترموديناميك سهم بسيار مهمي در انقلاب صنعتي داشته است. ماشين‌هاي بخار كه گرما را به انرژي مكانيكي تبديل مي‌نمودند، به سرعت جايگزين نيروي انساني در كارگاه‌ها، كارخانه‌ها، معادن، حمل‌ و نقل،
كشتيراني و مزارع كشاورزي شدند. توماس سيوري، توماس نيوكامن و جيمز وات سازنده و تكميل كننده اولين ماشين‌هاي بخار بودند.

[ریپورتر]

فرض كنيد يك ظرف حاوي مقداري گاز داريم. براي توصيف وضعيت اين ظرف دو راه متفاوت از هم وجود دارد. راه اول ديدگاه ميكروسكوپي و روش دوم ديدگاه ماكروسكوپي ناميده مي‌شود.

http://mazjin.parsaspace.com/image/thermo/nmat2139-i1.jpg

ديدگاه ميكروسكوپييك راه براي توصيف وضعيت اين سيستم آن است كه اين گاز را متشكل از مولكول‌ها بدانيم و سپس بياييم مكان، سرعت، شتاب، انرژي جنبشي و ساير مشخصات اين مولكول‌ها را تك‌تك بدست آوريم و سپس در مورد اين سيستم اظهار نظر كنيم.
مكان، سرعت، شتاب و … جزء كميت‌هاي ميكروسكوپيك هستند؛ چون وضعيت تك‌تك ذرات را توصيف مي‌كنند. معلوم است كه عملاً امكاناندازه‌گيري اين كميت‌ها در مورد تك‌تك مولكول‌ها وجود ندارد. در ضمن اين كميت‌ها توسط حواس ما قابل درك نخواهند بود.
ديدگاه ميكروسكوپيك اساس مكانيك آماري است. در مكانيك آماري از مقادير ميانگين كميت‌هاي ميكروسكوپيك استفاده
مي‌شود. به كمك روش‌هاي آماري و قوانين مكانيك مي‌توان كميت‌هاي ماكروسكوپيك و قوانين حاكم بر آنها را بدست آورد.
ديدگاه ماكروسكوپيك
در اين ديدگاه براي توصيف سيستم از كميت‌هاي محدودي كه در آزمايشگاه قابل اندازه‌گيري هستند، استفاده مي‌شود. فشار، حجم، دما، گرما و … جزء كميت‌هاي ماكروسكوپيك هستند كه وضعين كل سيستم را توصيف مي‌كنند و به بررسي رفتار تك‌تك ذرات نمي‌پردازند.
كميت‌هاي ماكروسكوپيك برخلاف كميت‌هاي ميكروسكوپيك تعدادشان محدود بوده و توسط حواس هم قابل درك هستند. كميت‌هاي ماكروسكوپيك را مي‌توان بر اساس كميت‌هاي ميكروسكوپيك تعريف كرد. مثلاً فشار گاز را مي‌توان حاصل از برخورد مولكول‌ها به ديواره ظرف دانست و دما را بر حسب ميانگين انرژي جنبشي ذرات بيان كرد.
ديدگاه ماكروسكوپيك اساس و پايه ترموديناميك است.

[ریپورتر]

تاریخچه ترمودینامیک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%A7%D8%B1%DB%8C%D8%AE%DA%86%D9%87_%D8%AA% D8%B1%D9%85%D9%88%D8%AF%DB%8C%D9%86%D8%A7%D9%85%DB %8C%DA%A9)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ec/Carnot2.jpg/150px-Carnot2.jpg (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Carnot2.jpg) http://fa.wikipedia.org/skins-1.5/common/images/magnify-clip.png (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Carnot2.jpg)
سعدی کارنو (۱۷۹۶ - ۱۸۳۲): پدر ترمودینامیک


شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو ون جریکو شروع شد و ثابت کرد که نظریه ارسطو مبنی بر اینکه طبیعت از خلا متنفر است ،اشتباه است.مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل طرز کار دستگاه جریکو را یاد گرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B1%D8%A7%D8%A8%D8%B1%D8%AA_%D9%87%D9%88%DA%A9) توانست اویلن پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد. و بین حجم و فشار رابطهذای تعریف کردند که امروزه به قانون بویل مشهور است. سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین bone digester را ساخت که یک ظرف دربسته با در محکم بود که در آن بخار با فشار بالا تولید می‌شد. بررسی علمی ماشین بخار توسط سعدی کارنو شروع شد به افتخار کارنو چرخه‌ای که بر اساس دو دما کار می‌کند که بالاترین بازدهی را دارد، چرخه کارنو نامیده‌اند.

[ریپورتر]

پنج نیروی مهم ترمودینامیک عبارتد از:

انرژی درونیhttp://upload.wikimedia.org/math/6/f/3/6f3d5ad4b0e22c80e2db450cf7238ea9.png

انرژی آزاد هلهمولتزhttp://upload.wikimedia.org/math/6/e/9/6e9e82d72f55f64b76312a65dfd97b6c.png

آنتالپیhttp://upload.wikimedia.org/math/7/1/b/71b77787b5df61171ed76c459c06d41d.png

انرژی آزاد گیبسhttp://upload.wikimedia.org/math/b/7/a/b7aaee94485c435dc9bf8823aaf25eea.png



پتانسل بزرگ (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%D8%AA%D8%A7%D9%86%D8%B3%D9% 84_%D8%A8%D8%B2%D8%B1%DA%AF&action=edit&redlink=1)http://upload.wikimedia.org/math/6/5/8/6580802b98c1c18bddea32fdec31b563.png

[ریپورتر]

سامانه یا سیستم مجموعه یا گروهی از اشیاء مرتبط، یا غیر مرتبط است که هدف (اهدافی) خاص را دنبال می‌کنند، به نحوی که یک واحد پیچیده را تشکیل دهند. ترکیب کلی اجزا که برحسب طرح یا برنامه‌ای نظم یافته باشد.
مجموعه منظم قابل درکی از حقایق، اصول، نظریه‌ها و امثال آن‌ها در زمینه خاصی از دانش یا اندیشه، سیستم گفته می‌شود.
سامانه یا سیستم (منظومه، و دستگاه هم گفته شده است؛ مثل: منظومهء‌ شمسی - Solar system، و دستگاه معادلات خطّی - System of linear equations) همچیده‌ای از عناصر همپیوسته‌ای است که یک تمامیت یگانه را تشکیل می‌دهند. چنین ترکیب و همچیده‌ای معمولاً مجموعه‌ای سامانمند و منظم را درست می‌کند و به همین رو به آن سامانه می‌گویند که از واژه پارسی سامان به معنی نظم و ترتیب گرفته شده‌است. به بخشی از یک سامانه که خود جزئی از یک سامانه دیگر باشد زیرسامانه می‌گویند. یک سامانه معمولاً دربرگیرنده بخش‌ها و عناصری است که بهم پیوسته شده‌اند تا جریان و روند داده‌ها، ماده یا انرژی را آسانتر سازند. یک سامانه معمولاً واحدهایی دارای برهمکنش دارد که برای آنها می‌توان الگوهای ریاضی تشکیل داد.

[ریپورتر]

محیط، در ترمودینامیک، به قسمتی از فضا می‌گویند که جزو سیستم نبوده و آن را احاطه کرده باشد.
محیط ممکن است با سیستم تبادل انرژی (گرما) و جرم داشته باشد. برای توضیحات بیشتر در این مورد به سیستم‌های باز و بسته نگاه کنید.
همواره می‌توانیم محیط یک سیستم را کل جهان به جز آن در نظر بگیریم ولی در اکثر موارد به فرضیات ساده‌تری نیاز داریم. مثلاً در مورد کاسه‌ای که در یک اتاق قرار دارد، می‌توانیم فضای اتاق را محیط آن در نظر بگیریم بدون آنکه خطای قابل توجهی وارد محاسبات شود.

[ریپورتر]

منبع گرمایی یا منبع حرارتی سیستمی با اندازهٔ بسیار بزرگ نسبت به اندازهٔ سیستم مورد بررسی است که می‌تواند با آن برهم‌کنش گرمایی داشته باشد.
به دلیل بزرگی اندازهٔ این سیستم (منبع گرمایی) می‌توان دمای آن را تا پایان فرآیند ثابت فرض کرد


تعادل ترمودینامیکی، در سیستم‌های ترمودینامیکی، به حالتی گفته می‌شود که در آن سیستم در حالت تعادل مکانیکی، تعادل شیمیایی و تعادل گرمایی باشد.
وقتی که مختصات ترمودینامیکی یک سیستم به هر طریقی، چه خود به خود و چه به سبب عوامل خارجی تغییر کنند، گفته می‌شود که سیستم تغییر حالت داده است. هنگامی که حالت یک جسم تغییر می‌کند، معمولاً برهم‌کنش‌هایی بین سیستم و محیط آن رخ می‌دهد. هنگامی که شرایط برای هر سه نوع تعادل مکانیکی، شیمیایی و گرمایی برقرار باشند، اصطلاحا گفته می‌شود که سیستم در حالت تعادل ترمودینامیکی است. تحت این شرایط هیچ‌گونه تمایلی برای تغییر حالت، ‌نه در سیستم و نه در محیط آن، وجود ندارد.

[ریپورتر]

گازهای حقیقی گازهایی هستند که در شرایط گازهای ایده‌آل صدق نکرده و انحراف زیادی را از حالت گاز ایده‌آل نشان می‌دهند.
گازهای واقعی که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم را در دماهای بالا و فشارهای پایین می‌توان ایده‌آل فرض کرد

[ریپورتر]

گاز ایده‌آل یک تقریب از گازهای حقیقی است که برای مقاصد محاسباتی بکار می‌رود. گاز ایده‌آل به گازی گفته می‌شود که:

بین ذرات آن نیرویی وجود نداشته باشد و تنها برهم‌کنش بین ذرات، برخورد صلب باشد.
اندازهٔ ذرات نسبت به مسیر آزاد میانگین ناچیز باشد.
گازهای حقیقی را در چگالی‌های پایین با تقریب خوبی می‌توان ایده‌آل فرض کرد.





قانون گازهای ایده‌آل
گازهای ایده‌آل در حالت تعادل داخلی از معادلهٔ گاز ایده‌آل پیروی می‌کنند:
PV = nRTکه در آن P فشار داخلی سیستم، V حجم سیستم، n تعداد مول‌های ذرات سیستم، R ثابت جهانی گازها و T دمای سیستم با یکای کلوین است.

[ریپورتر]

برای اثبات این قانون ، اول لازم است که با قانون های بویل و شارل آشنا شویم .
قانون بویل

رابطهٔ بین فشار و حجم یک گاز در 1662 میلادی توسط رابرت بویل ( Robert Boyle ) اندازه گیری شد . بویل متوجه شد که افزایش فشار وارد شده بر یک گاز با کاهش حجم آن متناسب است . اگر فشار دو برابر شود ، حجم به نصف کاهش می‌یابد . اگر فشار سه برابر شود ، حجم به یک سوم حجم اولیه اش می‌رسد . قانون بویل می‌گوید که در دمای ثابت ، حجم گاز با فشار رابطهٔ عکس دارد :
http://upload.wikimedia.org/math/e/6/b/e6b3117283d751367eefea6f1d29b599.png قانون شارل

رابطهٔ بین حجم و دمای یک گاز در 1787 میلادی توسط ژاک شارل ( Jacques Charles ) مطالعه شد و نتایج او به طور قابل ملاحظه‌ای توسط شاگردانش ژوزف گیلوساک ( Joseph Gay - Lussac ) گسترش یافت . براساس این قانون حجم تمام گازها ، در فشار ثابت ، با دمای مطلق آن گاز رابطهٔ مستقیم دارد :
http://upload.wikimedia.org/math/0/5/c/05cff180778cdc1ee70c3bf1c4c3d6fe.png قانون گازهای ایده آل

در دما و فشار ثابت حجم یک گاز با تعداد مول های آن نسبت مستقیم دارد . حجم یک مول گاز نصف حجم اشغال شده توسط 2 مول گاز می‌باشد . بنابراین قانون و قوانین بویل و شارل می‌توان گفت که :
http://upload.wikimedia.org/math/3/3/9/3394f3442d0a8d637e05d6c45ff86fdb.pngبا استفاده از یک عدد ثابت می‌توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد :
http://upload.wikimedia.org/math/8/9/f/89f3438fb954764362e53bd9a3188b34.pngکه از آن نتیجه می‌شود :
PV = nRT

[ریپورتر]

قانون گازهای ایده آل توسط نظریهٔ جنبشی گازها

نمونه‌ای از یک گاز شامل N (عدد آووگادرو) مولکول، هر کدام با جرم m را در نظر بگیرید. اگر این نمونه در مکعبی با یال a باشد، حجم آن برابر خواهد شد با:
V = a3با فرض اینکه یک سوم مولکول‌ها در جهت محور x، و دو سوم در جهت محورهای y و z حرکت کنند، آنگاه در هر ۲a حرکت یک مولکول گاز در جهت محور x داخل مکعب، مولکول حداقل یکبار به دیوارهٔ مکعب برخورد می‌کند. با فرض اینکه سرعت میانگین هر مولکول گاز برابر u است، در هر ثانیه هر مولکول گاز به اندازهٔ http://upload.wikimedia.org/math/2/9/9/299f1f1ebed3c65bec962f4a2e8c8269.png برخورد دارد و در هر برخورد به اندازهٔ ۲mu اندازهٔ حرکت آن تغییر می‌کند. پس در هر ثانیه هر مولکول گاز به اندازهٔ زیر به دیوارهٔ مکعب نیرو وارد می‌کند :
http://upload.wikimedia.org/math/3/8/f/38fe9310e1eecc686a7515f01537c7d6.pngاز این رو برای تمام مولکولهای گاز می‌توان نوشت :
http://upload.wikimedia.org/math/e/2/c/e2c00483558f6a2373ae10e9eed7c171.pngفشار عبارت است از نیرو بر سطح. پس :
http://upload.wikimedia.org/math/9/8/b/98be1bbad5ecf66a88bb25c08e4342ff.pngپس می‌توان نوشت :
http://upload.wikimedia.org/math/e/7/7/e774e058001f3ff121163432b50ce09a.pngکه KE در آن میانگین انرژی جنبشی مولکولی گاز می‌باشد. و از آنجا که انرزی جنبشی یک گاز (بنابر نظریه جنبشی گازها) با دمای مطلق آن نسبت مستقیم دارد و همچنین http://upload.wikimedia.org/math/8/4/a/84a690ea3d14a9e84c69a28267b51924.png، پس :
http://upload.wikimedia.org/math/1/8/9/189dfab7053e19b887c4ffc79348c3f5.pngکه با ضرب کردن عدد ثابتی مثل R، می‌توان تناسب را به تساوی تبدیل کرد :

PV = nRT منابع


شیمی عمومی ( جلد اول ) ، چارلز مورتیمر ، دکتر عیسی یاوری ، نشر علوم دانشگاهی ، تهران ، 1385 ، ISBN 964-6186-30-0 (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%88%DB%8C%DA%98%D9%87:%D9%85%D9%86%D8%A7%D8%A8% D8%B9_%DA%A9%D8%AA%D8%A7%D8%A8/9646186300)

[ریپورتر]

قوانین ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک

قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که اگر دو سیستم با سیستم سومی در حال تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر در حال تعادل‌اند.
قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک که به عنوان قانون بقای کار و انرژی نیز شناخته می‌شود، می‌گوید: تغییر انرژی درونی یک سیستم برابر است با مجموع گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده بر آن:
ΔU = Q + W قانون دوم ترمودینامیک

ساخت یک موتور سیکلی که تأثیری جز انتقال مداوم گرما از دمای سرد به دمای گرم نداشته باشد، غیر ممکن است. به بیان ساده تر امکان ندارد که یک یخچال طی یک چرخه، تمام انرژی را که از منبع سرد دریافت می‌کند به منبع گرم انتقال دهد؛ بلکه مقداری از این انرژی را طی این فرایند به کار تبدیل می‌کند.
قانون سوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک می‌گوید هنگامی که انرژی یک سیستم به حداقل مقدار خود میل می‌کند، انتروپی سیستم به مقدار قابل چشم‌پوشی می‌رسد. یا بطور نمادین: هنگامی که http://upload.wikimedia.org/math/9/b/0/9b042be6722aa49270e6270b7e77b123.png، http://upload.wikimedia.org/math/1/1/e/11ea13f8670dae26fdb750d740ccccb4.png

[ریپورتر]

واژهٔ اِنتروپی یا آنتروپی در رشته‌های گوناگون علمی، معانی متفاوت پیدا کرده است که اساسی‌ترین آنها در زیر آورده شده‌اند



[ویرایش (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9% BE%DB%8C&action=edit&section=1)] تعاریف انتروپی


برای یک فرآیند بسیار کوچک هم‌دمای برگشت‌پذیر داریم:
http://upload.wikimedia.org/math/d/e/e/deeac7ad67a521a0359e37d35eee77d4.png

انتروپی بردار زمان است یعنی یک شاخص اساسی زمان است.
از دیدگاه انرژی آزاد انتروپی با گرمایی که برای انجام کار در دسترس نیست، ارتباط دارد.
انتروپی اندازهٔ بی‌نظمی سیستم یا ماده‌ای است که در حال بررسی است.
انتروپی معیاری از اشتباهات تصادفی است که در هنگام انتقال یک سیگنال به وجود می‌آید. بنابراین می‌تواند معیاری از بازده‌ی سیستم ارسال پیام باشد.
انتروپی معیاری از تعداد حالت‌های داخلی است که یک سیستم می‌تواند داشته باشد، بدون آنکه برای یک ناظر خارجی که فقط [[کمیت‌های ماکروسکوپیک (مثلاً جرم، سرعت، بار و...) آن را مشاهده می‌کند، متفاوت به نظر برسد.

[ریپورتر]

مفهوم ترمودینامیکی
انتروپی (S) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازه‌ای برای درجهٔ بی‌نظمی در هر سیستم است. هر چه درجهٔ بی‌نظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است. بنابراین برای یک مادهٔ معین در حالت تعادل درونی کامل در هر حالت، داریم:
انتروپی جامد < انتروپی مایع < انتروپی گازواحد انتروپی در سیستم SI، ژول بر مول کلوین است. (J/mol.K).
توجه به این نکته ضروری است که انتروپی یک تابع حالت و مستقل از مسیر است.
با فرض صادق بودن قانون سوم ترمودینامیک می‌توان بصورت زیر مقدار مطلقی برای انتروپی جامدات در دماهای بالا بدست آورد:
http://upload.wikimedia.org/math/e/9/c/e9c5388eaae34207d7ed98de0bc3743e.pngدر صورتی که مادهٔ مورد نظر در دماهای بالا تحت استحاله‌های فازی قرار گرفته و حالت آن تغییر یابد، باید از صورت کلی فرمول انتروپی به شکل زیر استفاده کرد:
http://upload.wikimedia.org/math/b/9/6/b961f89e10d9c251d5c7d1f2a28c5b5f.png
که در این فرمول، Tm دمای ذوب، Tv دمای جوش،ΔHm تغییر آنتالپی در اثر ذوب، ΔHv تغییر آنتالپی در اثر جوش (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%88%D8%B4) و (Cp(l)، Cp(s و (Cp(g به ترتیب ظرفیت گرمایی ماده در حالت جامد، مایع و گاز در فشار ثابت هستند

[ریپورتر]

آنتالپی مقدار گرمای سیستم در فشار ثابت است

تغییرات آنتالپی
معمولا تغییرات آنتالپی واکنش‌ها را در دستگاه‌های آنالیز مورد سنجش قرار می‌دهند.
تغییرات آنتالپی در واکنش‌های گرماگیر

در واکنش گرماگیر این تغییرات مثبت است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرماگیر باشد افزایش خواهد یافت.
تغییرات آنتالپی در واکنش‌های گرمازا

تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا منفی است یعنی آنتالپی سیستم هایی که در آنها واکنش گرمازا انجام می‌شوند کاهش می‌یابد

[ریپورتر]

آنتالپی و انرژی درونی
آنتالپی با انرژی درونی مرتبط است. مقدار کار مربوط به تغییر حجم نمونه ناشی از فشار سیستم تفاوت این دو را موجب می‌شود.



روش اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی

تغییرات آنتالپی را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از مشتق آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند

[ریپورتر]

واکنش گرماگیر (به انگلیسی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B2%D8%A8%D8%A7%D9%86_%D8%A7%D9%86%DA%AF%D9%84% DB%8C%D8%B3%DB%8C): endothermic reaction) نوعی واکنش شیمیایی است که تغییرات آنتالپی آن در فشار ثابت مثبت باشد.

سطح انرژی مواد در واکنش گرماگیر

در واکنش گرماگیر سطح انرژی مواد اولیه پایین‌تر از سطح انرژی محصولات است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرماگیر باشد در فشار ثابت افزایش می‌یابد. انرژی درونی سیستم نیز در این نوع واکنش افزایش می‌یابد.
سیستم واکنش گرماگیر

سیستم واکنش گرماگیر گرمای مورد نظر برای انجام این نوع واکنش را از بیرون (محیط واکنش) می‌گیرد.
تفاوت واکنش گرماگیر و گرمازا

ویژگی واکنش گرماگیر عکس واکنش گرمازا است یعنی برای یک واکنش گرمازا گرمای تولید شده در واکنش از سیستم واکنش به محیط آن خارج می‌شود.
اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی واکنش گرماگیر

تغییرات آنتالپی واکنش گرماگیر را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند.

[ریپورتر]

واکنش گرمازا (به انگلیسی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B2%D8%A8%D8%A7%D9%86_%D8%A7%D9%86%DA%AF%D9%84% DB%8C%D8%B3%DB%8C): exothermic reaction) نوعی واکنش شیمیایی است که تغییرات آنتالپی آن در فشار ثابت منفی باشد.

سطح انرژی مواد در واکنش گرمازا

در واکنش گرمازا سطح انرژی مواد اولیه بالا‌تر از سطح انرژی محصولات است یعنی آنتالپی سیستم در صورتی که واکنش گرمازا باشد در فشار ثابت کاهش می‌یابد. انرژی درونی سیستم نیز در این نوع واکنش کاهش می‌یابد.
سیستم واکنش گرمازا

سیستم واکنش گرمازا گرمای مورد نظر برای انجام این نوع واکنش را به بیرون (محیط واکنش) می‌دهد.
تفاوت واکنش گرمازا و گرماگیر

ویژگی واکنش گرمازا عکس واکنش گرماگیر است یعنی برای یک واکنش گرماگیر گرمای تولید شده در واکنش از محیط وارد سیستم واکنش می‌شود.
اندازه‌گیری تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا

تغییرات آنتالپی واکنش گرمازا را با استفاده از روش کالریمتری سنجشی مقیاسی تعیین می‌کنند و از آن مقدار ظرفیت حرارتی ویژه نمونه را به دست می‌آورند.

[ریپورتر]

انرژی آزاد گیبس کمیتی ترمودینامیکی است که میزان خودبه‌خود انجام شدن یک واکنش را نشان می‌دهد. این کمیت با G نمایش داده می‌شود. انجام یک فرآیند از لحاظ ترمودینامیکی هنگامی امکان‌پذیر است که تغییرات انرژی آزاد گیبس منفی باشد.
انرژی آزاد گیبس را می‌توان از این معادلات بدست آورد:
http://upload.wikimedia.org/math/5/f/a/5fac974563e6a9a330f1fb03ead4e764.png http://upload.wikimedia.org/math/2/9/b/29b4a1df0c3d79afe1ca790992058907.png این فرمول‌ها دربرگیرندهٔ دو عامل است که در انجام‌پذیری واکنش‌ها در طبیعت مؤثرند: آنتالپی (انرژی سیستم) و آنتروپی (بی‌نظمی سیستم).
انتالپی (H) تغییرات انرژی ضمن انجام واکنش را دربرمی‌گیرد. این تغییرات هم انرژی جنبشی راشامل می‌شود و هم انرژی پتانسیل (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D9%BE%D8%AA%D8%A7% D9%86%D8%B3%DB%8C%D9%84) را، به شرط آن که در حین انجام واکنش فشار وارد بر سیستم ثابت باشد.
یک واکنش زمانی از نظر انرژی انجام‌پذیر تلقی می‌شود که بر اثر انجام آن انرژی سیستم کمتر شود. به عبارت بهتر سیستم پایدارتر شود. در این صورت تغییرات انتالپی منفی خواهد بود.
اما در اطراف ما بسیاری از واکنش‌ها اتفاق می‌افتند که در آن‌ها سیستم گرما می‌گیرد و انرژی آن افزایش می‌یابد، یعنی تغییرات انتالپی در آن‌ها مثبت است. این گونه واکنش‌ها به علت عامل دوم رخ می‌دهند که آنتروپی نامیده می‌شود و با S نشان داده می‌شود. این عامل نشان‌دهندهٔ میزان بی‌نظمی سیستم است و زمانی مساعد است که انجام واکنش سبب زیادشدن بی‌نظمی در سیستم شود. در فرمول انرژی آزاد گیبس عامل S در T ضرب می‌شود که دمای مطلق (کلوین) گاز است، یعنی اثر عامل بی‌نظمی در دمای بالا بیشتر است.
منبع

‎

Peter Atkins and Julio de Paula, Physical chemistry, W. H. Freeman; 8th edition, U.S.A, 2006. ISBN 0-7167-8759-8 (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%88%DB%8C%DA%98%D9%87:%D9%85%D9%86%D8%A7%D8%A8% D8%B9_%DA%A9%D8%AA%D8%A7%D8%A8/0716787598)

[ریپورتر]

انرژی آزاد هلمولتز تابعی ترمودینامیکی است که توانایی سیستم برای انجام کار را در شرایط هم‌دما نشان می‌دهد.


تعریف

http://upload.wikimedia.org/math/6/e/9/6e9e82d72f55f64b76312a65dfd97b6c.png
که در آن:

U انرژی درونی سیستم،
T دمای سیستم در مقیاس کلوین و
S انتروپی سیستم است.

[ریپورتر]

در ترمودینامیک، انرژی درونی به انرژی ذرات سازنده مواد اطلاق می‌شود که با U یا E نشان داده می‌شود. بالارفتن انرژی درونی به دو صورت تغییر دما یا فاز ماده ظاهر می‌شود. واحد انرژی درونی در سیستم SI، ژول است.

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک بیان می‌کند:
http://upload.wikimedia.org/math/9/c/3/9c3fe4d58894504411558a6662584472.png که در آن http://upload.wikimedia.org/math/3/3/2/332d6eb0f5cd9d386e24f6d2804c354d.png تغییرات انرژی درونی http://upload.wikimedia.org/math/5/a/1/5a1f8ec244ddf4bef6bc3a3c5349f50e.pngتغییرات گرما http://upload.wikimedia.org/math/d/5/3/d53462b4edf01f707d3109d101ef2643.png تغییرات کار

[ریپورتر]

دما





مخفف: T
سرواژه عبارت: Temperature
کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.
یکای این کمیت در سیستم متریک درجه کلوین می‌باشد. سایر واحدهای این کمیت عبارت‌اند از:

درجه سلسیوس (درجه سانتیگراد)
درجه فارنهایت
درجه رانکین نیز واحدی برای اندازه گیری دما است. ۲ واحد سانتی گراد و فارنهایت دمای نسبی، و ۲ واحد کلوین و رانکین دمای مطلق هستند. در واقع کلوین همان صفر مطلق در سیستم متریک است.


‎
در شیمی و سایر علوم، STP یا استاندارد دما و فشار مجموعهٔ استانداردی از شرایط برای اندازه‌گیری‌های تجربی است که مقایسه بین مجموعه‌ای از داده‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد. در حال حاضر، در میان همهٔ ملت‌ها شرایط STP تعیین‌شده توسط IUPAC (اتحادیهٔ بین‌المللی شیمی محض و کاربردی)، فشار مطلق ۱۰۰ کیلو پاسکال (معادل ۱ بار) و دمای ۲۷۳٫۱۵ کلوین (معادل صفر درجه سیلسیوس) است. برخی از سازمان‌ها گونه‌های دیگری از تعاریف معادل را برای «شرایط استاندارد از نظر دما و فشار» پذیرفته‌اند که از جملهٔ آنها SATP است.

[ریپورتر]

حجم

ریشه لغت

نماد لاتین: V
سرواژه عبارت: volume
تعریف

کمیتی است بیان کننده میزان فضای اشغال شده توسط یک جسم.
فرمول

فرمول های این کمیت عبارت‌اند از:

V = fm
V = abh
V = nRT / P
که در سایر نمادها عبارت‌اند از:

m: جرم
f: چگالی
a: طول
b: عرض
h: ارتفاع
n: جرم مولی
R: ثابت جهانی گاز
T: دما (بر حسب کلوین)
P: فشار (بر حسب اتمسفر)
یکا

یکای آن در سیستم متریک متر مکعب می‌باشد و سایر واحدهای آن عبارت‌اند از:

بشکه
پیمانه
سانتیمتر مکعب
گالون
لیتر
پک
پینت

[ریپورتر]

جرم مولی





جرم مولی جرم یک مول از مولکول‌های یک ماده است. با تقسیم مقدار جرم مولی بر عدد آووگادرو می‌توان جرم یک مولکول را حساب کرد. از جرم مولی در محاسبهٔ کمیت‌ها در شیمی استفاده می‌شود. به دلیل پیچیدگی‌های موجود در تعیین جرم مولی با استفاده از روش‌های تجزیه، گاهی سنجش دقیق جرم مولی از طریق یک روش ممکن نیست و بهتر است در این حالت روش سنجش جرم مولی را با روش دیگری عوض کرد. در پلیمرها جرم مولی همان جرم مولی متوسط وزنی و جرم مولی متوسط عددی است.
روش‌های تعیین جرم مولی


طیف‌سنجی جرمی
تشدید مغناطیسی هسته

[ریپورتر]

ضریب انبساط حرارتی

وقتی به یک جسم حرارت می دهیم افزایش انرژی جنبشی ذرات سازنده باعث افزایش فاصلهٔ تعادلی اتم‌های پیوندی و در نتیجه افزایش طول پیوندهای شیمیایی می‌شود. افزایش طول این پیوندها موجب افزایش طول جامدات و افزایش حجم مواد می‌شود
ضریب انبساط حرارتی خطی

ضریب انبساط حرارتی خطی مواد به صورت زیر تعریف می‌شود:
http://upload.wikimedia.org/math/b/5/0/b500f838520641190af660c915ee0b64.png که در آن α ضریب انبساط حرارتی خطی، http://upload.wikimedia.org/math/f/a/f/fafebbffe2e3c987a2a09c8ab896feeb.png طول اولیه، http://upload.wikimedia.org/math/a/9/4/a947205628f9f73817811749d02ae996.png طول ثانویه و http://upload.wikimedia.org/math/9/9/5/995e7dbf64a664994f3d2582eb857dd7.png دما است.

[ریپورتر]

ظرفیت گرمایی یا ظرفیت حرارتی یک سیستم با C نشان داده می‌شود که عبارت است از نسبت گرمای مبادله شده با سیستم به تغییر دمای ناشی از مبادله گرما. مفهوم ظرفیت گرمایی فقط درمواردی به کارمی‌رود که مبادله گرما با سیستم تنها باعث تغییر دمای سیستم شود و در مواردی که تغییرفاز ایجادمی‌شود، به کارنمی‌رود.

ظرفیت گرمایی ویژه

نوشتار اصلی: ظرفیت حرارتی ویژه
ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است که با واحد جرم کنترلی سیستم مبادله می‌شود تا دمای آن ۱ درجه سانتیگراد تغییر یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده مقدار انرژی است که یک گرم از آن ماده دریافت می‌کند تادرجه حرارت آن ماده یک درجه سانتیگراد افزایش یابد. فرمول آن برابر است با :
Q = m c ΔT که در آن: Q برابر با انرژی مبادله شده m برابر با جرم c ظرفیت گرمایی ویژه جسم ΔT برابر با اختلاف دما است.[۱] واحدها


جرم:گرم یا کیلوگرم در واحدهای SI
انرژی:واحد اصلی آن ژول است اما از واحد کالری نیز استفاده می‌شود
دما:از کلوین یا سانتی‌گراد استفاده می‌شود(چون هر دو یکا در یک رنج هستند در اختلاف دما تفاوتی مشاهده نمی‌شود)

[ریپورتر]

عوامل موثر بر ظرفیت گرمایی

جرم مولی
پیوند هیدروژنی:(که باعث افزایش ظرفیت گرمای ویژه اب شده‌است)
میزان فضای آزاد
تئوری انیشتن در ظرفیت گرمایی جامدات

در اوایل قرن ۲۰ ام، انیشتین تئوری کوانتوم را برای توضیح داده‌های تجربی عناصر جامد بکار برد. فرض شد که هر اتم در کریستال مانند یک نوسانگر هارمونیک با نوسان در طول سه جهت عمود بر هم رفتار کند. انرژی سطح ام نوسانگر هارمونیک بصورت زیر داده شده‌است: که فرکانس نوسان و ثابت پلانک است. بعلاوه که تعداد اتم‌های موجود در سطح انرژی ام است. با ادغام معادلات فوق و استفاده از روابط بین و عدد آووگادرو بدست می‌آوریم
که ثابت بولتزمان است. اگر باشد آنگاه داریم
باشد، با دنبال کردن مراحل استنتاج انیشتین (که نوشته نشده‌است)، بدست می‌آوریم
و
(از آنجایی که ، که
تئوری دبای در ظرفیت گرمایی جامدات

استنتاج انیشتین بعدها توسط دبای که بر خلاف انیشتین که یک فرکانس ثابت را برای ارتعاش فرض کرده بود، یک طیف از فرکانس ارتعاش را فرض کرد، تغییر یافت. دبای به رابطهٔ متفاوتی با عبارت دمای دبای رسید که:
در دماهای خیلی پائین (نزدیک ) معادلهٔ دبای می‌تواند بصورت زیر ساده شود:

معادلهٔ دبای به شرط استفاده از بهترین مقدار برای ، همخوانی بهتری با داده‌های تجربی دارد. ولی حتی در این حال نیز رضایت‌بخش نیست بعلاوه آن تنها مربوط به عناصری است که در حالت کریستالی هستند از اینرو بنا به کاربرد محدود آن، اندازه‌گیری تجربی روابط ظرفیت گرمایی بر حسب دما برای جامدات و مایعات یک شیوهٔ معمول است

[ریپورتر]

فرآیند برگشت‌پذیر


فرآیند برگشت پذیر(به انگلیسی: Reversible process) فرآیندی است که در آن با تغییر بسیار کوچکی در خصوصیات سیستم، بدون اتلاف انرژی، جهت واکنش برعکس می‌شود.
خصوصیات فرآیند برگشت پذیر

در این نوع فرآیند آنتروپی ثابت میماند[۱] و تغییر انرژی آزاد گیبس دقیقا برابر با تغییر آنتالپی است زیرا انرژی آزاد گیبس از فرمول زیر تبعیت می‌کند:
http://upload.wikimedia.org/math/6/0/2/60238408112cb59c20361e2926cafe20.png که در آن
T دما G انرژی ازاد گیبس H آنتالپی
و S آنتروپی است
و چون تغییرات آنتروپی برابر صفر است معادله به صورت زیر در می‌آید: http://upload.wikimedia.org/math/9/9/d/99d2db077a457710501471c8e9a2c592.png

[ریپورتر]

فرآیند خودبخودی

فرآیند خودبخودی نوعی فرآیند شیمیایی است که بدون نیاز به انرژی اضافی انجام می‌شود.
خصوصیات این واکنش‌ها

در این واکنش‌ها، انرژی آزاد گیبس در حال کاهش است. انرژی آزاد گیبس به صورت زیر تعریف می‌شود:
http://upload.wikimedia.org/math/6/0/2/60238408112cb59c20361e2926cafe20.png که در آن
T دما G انرژی آزاد گیبس H آنتالپی
و S آنتروپی است.

[ریپورتر]

فرآیند تعادلی




فرآیند تعادلی (به انگلیسی: Equilibrium Process) انتقال از یک حالت سیستم به حالت دیگر آن است. اگر دو سطح اولیه و ثانویه در یک سیستم یکسان باشد تعادل در آن سیستم برقرار است. فرآیند تعادلی می‌تواند با رخ دادن یک واکنش شیمیایی حاصل شود.
فرآیند تعادلی وقتی رخ می‌دهد که سیستم به سمت تعادل برود یعنی هنوز سیستم در تعادل نیست درحالی که وقتی تعادل شیمیایی حاصل می‌شود سیستم در تعادل است و نیازی در به تعادل رساندن آن نیست.




فرآیند شبه‌تعادلی (به انگلیسی: Quasiequilibrium Process) یا فرآیند شبه‌ایستا (به انگلیسی: Quasistatic process) به فرآیندی گفته می‌شود که به حدی آرام انجام شود که در آن اختلاف حالت‌هایی که سیستم در حین تعادل از آنها عبور می‌کند، از حالت تعادلی تا حد قابل چشم‌پوشی کوچک باشد. لازمهٔ فرآیند شبه‌تعادلی، کوچک بودن زمان لازم برای رسیدن سیستم به تعادل پس از هر تغییر کوچک در حالت سیستم در مقایسه با مقیاس زمانی فرآیند است. این باعث می‌شود که در فرآیند خواص سیستم در تمامی قسمت‌های آن یکسان باشد.

[ریپورتر]

فرآیند هم‌دما

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/Isothermal_process.png/180px-Isothermal_process.png (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Isothermal_pr ocess.png) http://fa.wikipedia.org/skins-1.5/common/images/magnify-clip.png (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Isothermal_pr ocess.png)



فرایند همدما فرآیندی ترمودینامیکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%B1%D9%85%D9%88%D8%AF%DB%8C%D9%86%D8%A7%D 9%85%DB%8C%DA%A9) است که در طی مراحل مختلف آن دما تغییری نمی‌کند و ثابت می‌باشد.

[ریپورتر]

فرآیند هم‌فشار

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/Przemiana_izobaryczna_wykres_pV.svg/180px-Przemiana_izobaryczna_wykres_pV.svg.png http://fa.wikipedia.org/skins-1.5/common/images/magnify-clip.png



فرآیند هم‌فشار یا فرآیند ایزوباریک فرآیندی ترمودینامیکی است که در فشار ثابت انجام می‌گیرد و فشار در مراحل مختلف وقوع فرآیند تغییری نمی‌کند.
کار از رابطهٔ:
http://upload.wikimedia.org/math/3/d/d/3dd7ce78877f071615ed65366cc354d5.png بدست می‌آید. و از آنجا که فشار ثابت است داریم:
http://upload.wikimedia.org/math/3/f/b/3fb30a62cc9d5973f0423778bbbfeaaf.png.

[ریپورتر]

فرآیند بی‌دررو




‎
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bc/Adiabatic_process.png/180px-Adiabatic_process.png http://fa.wikipedia.org/skins-1.5/common/images/magnify-clip.png



فرآیند آدیاباتیک یا فرآیند بی دررو فرآیندی است که در طول مدت زمان انجام واکنش، گرما بین سیستم و محیط مبادله نمی‌شود. (Q=۰). فرض کنید مقداری گاز در پیستونی عایق داریم. بر اساس قانون اول ترمودینامیک چنانچه به وسیله این پیستون گاز را متراکم کنیم بر روی گاز کار انجام داده ایم و کار انجام شده با تغییر انرژی درونی برابر است. (u=W∆) پس چون انرژی درونی گازها با دما رابطه مستقیم دارد لذا با افزایش انرژی درونی دمای گاز بالا می‌رود بدون اینکه مستقیما به گاز گرما به دهیم. این فرآیند تراکم بی دررو نام دارد. در انبساط بی دررو عکس این عمل افاق می افتد. نمونه‌هایی از فرآیند بی دررو: گرم شدن تلمبه گازی هنگام باد کردن لاستیک و تشکیل ابر های قارچی شکل پس از انفجار های هسته ای، سر سبز تر بودن دامنه غربی زاگرس نسبت به دامنه شرقی آن

[ریپورتر]

تحليلي از جنبه هاي فلسفي قوانين ترموديناميك

بخش اول


مقدمه:

يكي از تعاريف عالي ترموديناميك اين است كه ترموديناميك علم انرژي و آنتروپي ميباشد. ترديدي نيست كه علم در چنين تعريفي با تعبيري پوزيتيويستيك(1) به معناي دانشي بر پايهء مشاهدات تجربي بيان شده است. از اين منظر هركجا كه سخني از علم ميرود مقصود علم تجربي است . برتراند راسل(2) معتقد است اگر نتوانيم از چيزي آگاهي تجربي بدست آوريم هيچ آگاهي ازآن نخواهيم داشت.اگر پرسيده شود كه صحت خود اين مدعا چگونه به اثبات ميرسد پاسخ اين است كه اساساً چنين پرسشهايي تجربي نيستند. بدين معنا كه نميتوان آن را به محك تجربه گذاشت. سوالاتي از ازاين دست.
در حوزه متافيزيك جاي ميگيرند. روش پاسخ دادن به چنين سوالاتي كه به جنبه هاي معرفت شناختي (3) علم مربوط ميشوند نظير همهء مسائل متافيزيكي تعقل ومنطق است و نه آزمون تجربي . تفاوت عمده اي هست ميان علم پوزيتيويستي كه بر پايه ي تجربه پذيري بنا شده و متافيزيك كه تفسيري عام و فراگير از مسائل جهان هستي است. حوزهء مبحث اين نوشتار اغلب تحليل جنبه هاي استدلال منطقي در قوانين ترموديناميك وبرخي پرسشهاي فلسفي ومعرفت شناختي پيرامون آن است. با اين تفاسير ترموديناميك يك علم تجربي است. چرا كه در قوانين بنيادي آن يافته هاي تجربي بصورت روابط رياضي درآمده اند. بنيان ترموديناميك بر پايهء مشاهدات تجربي است. تجربي است از اينرو كه قابليت تجربه پذيري همگاني(4) دارد. " پديده اي كه مورد كاوش تجربي قرار مي گيرد بايد چنان باشد كه همه بتوانند در آزمون آن شركت كنندوهركس با تحصيل شرايط خاص بتواند به آساني آن را تجربه كند. اموري كه تنها براي يكبار اتفاق مي افتد يا اموري كه تجربه آنها همگاني نيست از قلمروكاوشهاي علمي بيرون مي مانند" [1 ]
تجربه مشاهدات تكرارپذيريست كه عيني(5) بوده وهمه بتوانندآن كاوش را انجام داده و نتايجش را بررسي كنند.بنابراين واضح است كه ترموديناميك واجد شرايط تجربه پذيري علمي است. بااين وجود مباحث مربوط به ترموديناميك فاقد آن تجربه گري صرف است كه در برخي ازعلوم وجود دارد. بدين معني كه ترموديناميك فقط برپايه تجربه ومشاهده نيست.اصولا مباحث مرتبط با مكانيك و شاخه هاي آن دقت و تاكيد فراواني بر استدلال استقرايي(6) دارندواصول بنيادي مكانيك برپايه مدلسازي رياضي ازپديده هاي فيزيكي است . پايه هاي اصلي مباحث ترموديناميك را مانند تكيه گاههاي منطقي علم مكانيك بايد در شهود و تجربه جستجوكرد.ازآن پس ميتوان يك چارچوب ذهني ترتيب داد و به عنوان مثال با پي ريزي يك مدل منطقي ميتوان مطالعهء مكانيك شاره ها را در ادامهء مكانيك مقدماتي و ترموديناميك قرار داد.
پايه ها ي مطالعه مكانيك شاره ها:
پايستاري جرم
قانون دوم نيوتن
اصل تكانه زاويه اي
قانون اول و دوم ترموديناميك
شش اصل بنيادي در مكانيك مقدماتي
اصل قابليت انتقال
قانون گرانش نيوتن
قانون اول نيوتن
قانون دوم نيوتن
قانون سوم نيوتن
قانون متوازي الاضلاع براي جمع بستن نيروها
به استثناء قانون اول نيوتن و اصل قابليت انتقال كه دو اصل بنيادي مستقل هستند ساير اصول مكانيك مقدماتي مبتني بر شواهد تجربي اند.با اين اوصاف مطالعه ترموديناميك صرفاً بر پايهء تجربه گري نيست بلكه آميزه اي از درك شهودي(7) و تجربهء مستقيم ميباشد. قوانين ترموديناميك را ميتوان بر اساس تعاريف اصولي و رايج علم نيز بررسي كرد:
الف: يك قانون علمي نظمي هميشگي و پايدار را بيان ميكند.قضاياي كلي عموما" با هميشه/هيچ/هر يا همه آغاز ميشوند
ب: قوانين علمي توانايي پيشگويي مشروط دارند و با دانستن وضع فعلي سيستم ميتوان آيندهء آن را به طور مشروط معلوم كرد.
ج: قوانين علمي وقوع برخي پديده ها را در جهان نامكمن و نشدني اعلام مي كنند ابطال پذيرند(8) و ميتوان تصور كرد كه روزي تجربه اي خلاف آن مشاهده شود.
د: قوانين و فرضيات علمي توتولوژيك(9) نيستند حصر منطقي ندارند و جميع حالات ممكن را در بر نميگيرند
ه: قوانين علمي گزينشي(10) هستند و هرگز همه جوانب پديده ها را تجربه و تحقيق نمي كنند.
قوانين ترموديناميك مجموعهء اين تعاريف را ارضا مي كند. في المثل وقتي گفته ميشود كه قانون اول ترموديناميك براي هر سيكل بسته اي برقرار ميباشد سخن از يك تجربه هميشگي و پايدار گفته ايم. با قوانين ترموديناميك مي توان آيندهء يك سيستم را از قرائن فعلي آن پيش بيني نمود. قوانين ترموديناميك همچنين وقوع پديده هايي را ناممكن اعلام مي كنند. اين خاصيت ابطال پذيري قوانين علمي است كه به پديده ها اجازه هرگونه جهتي را نمي دهند ونسبت به جهتگيري حوادث بي تفاوت نيستند." ابطال پذيري به معناي باطل بودن نيست. قانون ابطال پذير يعني قانوني كه براي آن بتوان تصور كرد كه در صورت وقوع پديده اي باطل مي شود. نقش تجربه هم در علوم كشف بطلان است و نه اثبات صحت . ابطال پذيري به معناي اين نيست كه اين قوانين حتماً روزي باطل خواهند شد بلكه اگر صحت يك قانون علمي تضمين هم شده باشد باز هم ابطال پذير خواهد بود.
يعني در فرض مي توان تجربه اي را كه ناقض آن است پيدا كرد.ابطال پذيري معادل تجربه پذيري است. قانوني علمي است كه تجربه پذير باشد ووقتي تجربه پذير است كه ابطال پذير باشد و وقتي ابطال پذير است كه نسبت به جهان خارج وجهت پديده هاي آن بي تفاوت نباشد"[1] قوانين ترموديناميك مثل هر قانون علمي ديگرگزينشي هستند. وفقط چند خاصيت محدود را بررسي مي كنند. بعنوان مثال مدل گازايده آل فرايند پلي تروپيك PV=mRT
فقط به چند خاصيت از قبيل فشار دما حجم و... محدود مي شود. هيچ قانون ترموديناميكي يافت نمي شود كه در آن همهء خواص ترموديناميكي منظور شده باشد.هر قانون تنها جنبه هايي خاص را مورد بررسي قرار مي دهد. بدين ترتيب در ترموديناميك با يك سري قواعد اصالتاً علمي مواجهيم كه ضمن علمي بودن نتايج و برداشتهاي فلسفي با اهميتي را نيز در بر مي گيرد.
1.1 تكامل منطقي قوانين ترموديناميك
ترموديناميك در قالب چهار قانون بنيادي ارائه مي شود و در نامگذاري اين چهار قانون نوعي روند تكاملي لحاظ شده است.
- قانون صفرم ترموديناميك: هر دو جسم كه با جسم سومي داراي تساوي درجه حرارت باشند آن دو جسم نيزبا هم تساوي حرارت دارند

- قانون اول ترموديناميك: براي هر سيستم در حال پيمودن يك سيكل انتگرال سيكلي حرارت متناسب با انتگرال سيكلي كار مي باشد.(قانون بقاي انرژي)
- قانون دوم ترموديناميك:غيرممكن است وسيله اي بسازيم كه در يك سيكل عمل كند وتنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به گرمتر باشد.
قانون سوم ترموديناميك: اين قانون بيان مي‌كند كه ممكن نيست از طريق يك سلسله فرايند متناهي به صفر مطلق دست يافت. به عبارتي رسيدن به صفر مطلق محال است.
قانون صفرم ترموديناميك منطقاً بديهي به نظر مي رسد.اگر چه كه تجربه پذير است و مي توان صحت و اعتبار آن را آزمايش كرد.اين قانون اساس اندازه گيري درجه حرارت است و نمي توان آن را از ساير قوانين نتيجه گرفت. قانون صفرم ترموديناميك از اين رو قبل از قوانين اول و دوم مي آيد كه براي بيان ساير قوانين ترموديناميك به مقياسي براي ادوات اندازه گيري درجه حرارت نياز است. بدين ترتيب اعدادي را روي دماسنج قرار داده و گفته مي شود جسم داراي درجه حرارتي است كه روي دماسنج قرائت مي شود. بنا براين منطقي است كه اين قانون قبل از ساير قوانين ترموديناميك ارائه شود.مطابق با اين قانون اندازه گيري درجه حرارت يك پايه منطقي پيدا مي كند و در ادامه مي توانيم ساير قوانين بنيادي ترموديناميك را با اتكا به اين پايه منطقي بيان كنيم. قانون اول ترموديناميك بيانگر اين مطلب است كه در يك سيكل ترموديناميكي مقدار حرارت منتقل شده از سيستم برابر با مقدار كار انجام شده بر سيستم مي باشد. در عين حال اين قانون هيچ محدوديتي براي جهت جريان حرارت و كار ايجاد نمي كند. اين محدوديت در قالب قانون دوم بيان ميشود.
قانون دوم ترموديناميك بيان مي دارد كه يك فرايند فقط در يك جهت معين پيش مي رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نيست. " متناقض نبودن يك سيكل با قانون اول دليلي بر اين نيست كه آن سيكل حتما اتفاق مي افتد.اين نوع مشاهدات تجربي منجر به تنظيم قانون دوم ترموديناميك مي شود. پس فقط آن سيكلي قابل وقوع است كه با قوانين اول و دوم ترموديناميك همخواني داشته باشد." [2] پس واضح به نظر مي رسد كه قانون دوم بيان يك توضيح تكميلي از قانون اول است كه قيد مجاز نبودن به هر جهت دلخواه براي كار و حرارت را بر آن مي نهد. از اين رو در روند تكامل منطقي قوانين ترموديناميك پس از قانون اول بيان مي شود. " در كاربرد قانون دوم دانستن مقدار مطلق آنتروپي ضروري مي شود و همين مساله منجر به تنظيم قانون سوم ترموديناميك مي گردد." بنابراين مشاهده شد كه قوانين ترموديناميك در يك سير تكامل منطقي در امتداد يكديگر بيان مي شوند. قانون اول پايهء منطقي اندازه گيري درجه حرارت را مي دهد. قانون اول منجر به بيان قانون دوم شده وقانون دوم نيز به بيان قانون سوم ترموديناميك مي انجامد.

2.1 تحليل منطقي از قانون اول ترموديناميك
قانون اول ترموديناميك را اغلب قانون بقاي انرژي مي نامند.اين قانون بيان مي دارد كه در يك سيكل ترموديناميكي انتگرال سيكلي حرارت برابر با انتگرال سيكلي كار مي باشد. قانون اول متضمن مفهوم انرژي است.مفهوم بنيادي انرژي در كاربردهاي روزمره آشنا و ملموس است و يك درك عمومي از كلمه انرژي وجود دارد. از نقطه نظر ماكروسكوپيك تنها به صورتي از انرژي توجه داريم كه به شكل حرارت منتقل مي شود. در حاليكه در ترموديناميك آماري, ديدگاه ما راجع به خواص ماكروسكوپيك تنها يك ارزيابي آماري از خواص ميكروسكوپيك هستند. "قوانين ترموديناميك را مي شود به آساني از اصول مكانيك آماري بدست آورد و آنها در واقع بيان ناقصي از همين اصول اند... در موارد ساده شده ايده آل مي توان از پس محاسبات پيچيده اصول مكانيك آماري برآمد و به قانوني با صحت اساساً نامحدود رسيد."[3] بنابراين به نظر مي رسد مفهوم بنيادي انرژي يك تحليل نوعاً آماري در رفتار مكانيكي مجموعه بسيار بزرگي از اتمهاست. " براي تشريح كامل رفتار سيستم از ديدگاه ميكروسكوپيك لزوما با حد اقل 20^10×6 معادله سر وكار خواهيم داشت. حتي با يك كامپيوتر بزرگ نيز انجام چنين محاسباتي كاملا خستگي آور و نااميد كننده است. با اين وجود دو روش براي كاهش تعداد معادلات و متغيرها تا حد پذيرفتني وجود دارد...يكي از اين راهها روش آماري است كه بر اساس نظريه هاي آمار و احتمال مقادير متوسط را براي همه ذرات سيستم در نظر مي گيريم ... راه حل دوم براي كاهش تعداد متغيرها ديدگاههاي ماكروسكوپيك ترموديناميك كلاسيك ميباشد همانگونه كه از كلمه ماكروسكوپيك استنباط مي شود اثرات كلي تعدادي مولكول را مورد توجه قرار مي دهيم." [2]چون ما مرتباً ازعبارت انرژي استفاده ميكنيم و آن را به پديده هايي كه مي بينيم نسبت مي دهيم كلمه انرژي مفهومي خاص در ذهن ما يافته است و وسيله اي موثر براي بيان افكار و ايجاد رابطه شده است. انرژي از مفاهيم مجردي است كه انسان براي برخي مشاهدات خود آن را ابداع كرده است. زماني كه از انرژي صحبت مي كنيم يك ادراك كلي را در نظر داريم كه مستقل از تحليلهاي آماري است. به بيان ديگر ديدگاه ما نسبت به انرژي به گونه كاملا محرزي مستقل از اين مساله است كه تعبير ماكروسكوپيك آن, بواسطه كاربرد آمار در رفتار تعدادي مولكول بدست آمده است. در ترموديناميك كلاسيك براي اينكه نشان داده شود انرژي يك خاصيت ترموديناميكي است به نوعي با مفاهيم عاري از معاني ملموس روبرو هستيم. بدين معني كه Q, Wو , Eتحت قواعد رياضي و جبري قرار مي گيرد و از آن نتايجي عام و كلي استحصال مي شود. گويي كه مي شد همين اعمال رياضي را روي, Y,X Z انجام داد.
در ترموديناميك, كار وحرارت تحت عنوان انرژي در حال گذار از مرزسيستم تعريف مي شود. با اين وصف مفهوم انرژي بايد يك اصل موضوعه و به طور ضمني تعريف شده باشد." تعريف صريح همه اصطلاحات فني يك مبحث همان قدر غير ممكن است كه اثبات كليه احكام آن, زيرا كه يك اصطلاح فني را بايد به كمك ساير اصطلاحات فني تعريف كرد و اين اصطلاحات را توسط اصطلاحات ديگر و قس عليهذا, به منظور رفع اين مشكل و براي احتراز از دوري(11) بودن در تعريف اصطلاح x به كمك اصطلاح y , و سپس تعريف اصطلاح y به كمك اصطلاح x , مجبوريم كه در مقدمه مبحث مورد نظر, مجموعه اي ازاصطلاحات اوليه يا اساسي را در نظر بگيريم و معاني آنها را مورد پرسش قرار ندهيم. تمام اصطلاحات فني ديگر مبحث را مآلاً بايد به كمك اين اصطلاحات اوليه تعريف كرد.[4]" از اين روبراي پرهيز از دوري بودن, تعريف انرژي بايد مستقل از كار وحرارت باشد ويا بالعكس. يا اينكه انرژي يك اصل موضوعه قلمداد شود و هيچ تعريفي هم براي آن ارائه نگردد.
http://cph-theory.persiangig.com/1788-1.JPG
شكل2.1
قانون اول ترموديناميك بيان مي دارد كه: W δ ∫ = Q δ ∫
اگر سيستم دستخوش تحولات يك سيكل باشد و طي فرايند A از حالت 1 به 2
تغيير يافته و سپس طي فرايند B از حالت 2 به حالت 1 بازگشت كند:
http://cph-theory.persiangig.com/1788-2.JPG
http://cph-theory.persiangig.com/1788-3.JPG
آنگاه نشان داده مي شود كه چون Bو Aنمايانگر هر فرايند دلخواهي بين 1 و 2 هستند پس مقدار(Wδ – Qδ) براي هر فرايند انجام شده يكسان خواهد بود. بنابراين مقدار(Wδ_Qδ) تنها بستگي به حالات اوليه و نهايي دارد و ارتباطي به مسير طي شده نخواهد داشت.
مي توان استنباط كرد كه مقدار فوق يك تابع نقطه اي و بنابراين ديفرانسيلي از يك خاصيت جرم كنترل است. از اين رو قانون اول ترموديناميك منجر به تنظيم خاصيتي شده كه انرژي ناميده مي شود.اما اين نتيجه گيري شبهه دوري بودن را در انرژي كار و حرارت ايجاد مي كند. از طرفي كار وحرارت تحت عنوان انرژي در حال گذار از مرز سيستم تعريف مي شوند و از سوي ديگر وجود خاصيتي به نام انرژي از قانون اول ترموديناميك و بر مبناي تعاريف كار و حرارت استنتاج مي شود. براي پرهيز از دوري بودن يا بايد كار وحرارت را مستقل از انرژي تعريف كنيم و يا انرژي را مستقل از كار و حرارت. به هر حال بايد يك تفسير بنيادي وجود داشته باشد. انرژي نمي تواند يك بديهي اوليه بدون نياز به تعريف باشد. به نظر مي رسد اين استنتاج يك تفسير دوري است. اما چطور ممكن است؟ پاسخ اينجاست كه وقتي كار و حرارت را نوعاً تحت مبناي انرژي تعريف مي كنيم, ناخواسته انرژي را بعنوان تفسير نهايي كار و حرارت در نظر گرفته ايم.
" عقيده به تفسيرهاي نهايي باطل است و هر تفسيري را مي توان بوسيله تئوري يا تخميني با كليتي بيشتر, باز هم تفسير نمود.هيچ تفسيري نمي تواند وجود داشته باشد كه خود محتاج تفسيري ديگر نباشد"[1] بنابراين انرژي تفسير نهايي كار وحرارت نيست بلكه تنها يك پايه تفسير رضايت بخش براي اين مفاهيم مي باشد. " يك سلسله علل منتهي به علت العلل (تفسير نهايي) ميشود زيرا كه تسلسل باطل است و در عين حال منتهي به علت العلل نميشود زيرا علتي كه خود معلول نباشد متصور نيست." [5] از اين رو دليل دوري به نظر رسيدن تعاريف انرژي , كار و حرارت اين مغالطه است كه انرژي را بعنوان تفسير نهايي كار و حرارت در نظر گرفته ايم. همانگونه كه گفته شد عقيده به تفسير نهايي باطل است و در اينجا نيز بايد انرژي را يك تفسير رضايت بخش از كار وحرارت بدانيم و نه تفسير نهايي آنها. و اين همان تمسك به طبائع _اسانسياليسم_(12) كارل پوپر(13) است كه مي گويد: تفاسير نهايي امور و حوادث بر حسب طبائع اشيا است. درست نظير آنچه در تحليل قانون اول ترموديناميك با آن مواجه شديم اگر انرژي را تفسير نهايي كار و حرارت بدانيم آنگاه انرژي به وضوح يك تفسير ad hoc خواهد بود. " قضايايي كه به طور موضعي و به صورت وصله اي يا تبصره اي به كار مي روند تا يك امر مبهم و بي تفسير را ظاهراًًً تفسير كنند ad hoc نام دارند... فرض كنيد ά, تفسير شده اي است كه صحت آن مسلم است از آنجا كه ά را بداهتاً مي توان از خود ά استنباط نمود بنابر اين هميشه امكان دارد كه ά را بعنوان تفسير خودش عرضه نماييم. اما با وجود اينكه در اينگونه موارد , صحت مفسر(تفسير كننده) محقق است و تفسير شده نيز منطقاً از آن استنتاج مي شود ,اين تفسير , تفسيري است بسيار نارضايت بخش و لذا ما بايد تفاسيري از اين قبيل را به دليل دوري بودن غيرقابل قبول بدانيم."[1] تفسير كار و حرارت بر پايه انرژي تفسيري تقريباً دوري است. منتهي دليلي بر اين هم نيست كه اقناع كننده نباشد. تفاسير نارضايت بخش, تفاسيري هستند كه كاملاً دوري باشند و از اين رو منطقاً باطل و غير قابل قبول اند. اما تفاسيري كه تا حدي دوري هستند و در عين حال رضايت بخش و قانع كننده عموماً تفاسيري هستند كه قرائن مستقل در ﺘﺄييد آن موجود باشند. بعبارت ديگر تفسيركننده بايد بطور مستقل آزمايش پذير باشد و اين آزمايش مستقل هرچه دشوارتر باشد, تفسير كننده مقنع تراست... براي اينكه مفسرها ad hoc نباشند بايد از لحاظ محتوا غني و داراي يك رشته نتايج آزمايش پذير باشند. "تنها وقتي مي توانيم در تحقق بخشيدن به تفاسير مستقل و غير ad hoc گامي به جلو برداريم كه در تفسير خود استفاده از قضاياي كلي يا قوانين طبيعت را به انضمام قضايايي كه مبين شرايط خاص(14) تجربه اند شرط كنيم, زيرا قوانين كلي طبيعت مي توانند قضايايي باشند با محتواي غني آنگونه كه در همه جا و در همه وقت به طور مستقل آزمايش پذير باشند و لذا اگر بعنوان تفسير مورد استفاده قرار بگيرند احتمال دارد كه ad hoc نباشند."[1] با اين اوصاف آنچه در تحليل منطقي قانون اول ترموديناميك به رغم تفسير تقريباً دوري آن اهميت دارد درجه اقناع كنندگي اين قانون مي باشد. همانگونه كه ذكر شد اقناع كنندگي يك تفسير به درجه آزمايش پذيري آن بستگي دارد. قانون اول ترموديناميك نيز به همين دليل تفسيري قانع كننده و رضايت بخش ميباشد. " آزمايشات گوناگوني كه صورت گرفته به طور مستقيم يا غير مستقيم, ﻤﺆيد قانون اول بوده است. عدم صحت اين قانون تا به حال ثابت نشده است" [2]

2.2 نتايج فلسفي قانون اول ترموديناميك
اينكه قانون اول ترموديناميك توصيف يك امر ذاتي و حقيقت في نفسه است يا صرفاً يك مدل ذهني , اساساً يك پرسش فلسفي است. جان لاك (1704_1632) بيان مي كرد كه "تمام معلومات ما از طريق تجربه و حواس بدست مي آيد و آنچه نخست به حس در نيايد در ذهن وجود ندارد".[5] اما امانوئل كانت در كتاب نقد عقل محض (15) ميگويد: همه معلومات ما از راه محسوسات نيست. تجربه به هيچ عنوان تنها راه درك وعلم نيست. تجربه فقط ما را به _آنچه هست_ راهنمايي مي كند نه به آنچه_ بايد چنين باشد_ و دست آخر نتيجه مي گيرد كه از تجربه, حقايق كلي به دست نمي آيد. يعني حقايق ,بدون توجه به تجربه ما واقعيت دارند و حتي اين واقعيت پيش از تجربه(16) هم وجود داشته است.
" طبق نظريه پوپر, تئوريها هرگز انعكاس عينيت نيستند بلكه بسيار به مدلهاي ذهني كانت شباهت دارند."[6] از ديدگاه پير دوئم (17) قوانيني نظير قانون اول ترموديناميك نه تفسيرهاي متافيزيكي هستند و نه مجموعه اي از قوانين كه صحتشان از طريق تجربه و استقراء به ثبوت رسيده باشد, " اين تئوريها بناهايي مصنوع هستند كه به كمك كميات رياضي ساخته شده اند ونسبت اين كميات با مفاهيم مجردي كه از تجربه برمي خيزند مانند نسبت علامت به ذي العلامه است... اين تئوريها با دقت جبري- رياضي قابليت گسترش دارند, چون به تقليد از جبر, اين تئوريها را مي توان با تركيب كمياتي كه ما به روش خاص خودمان آراسته ايم, بنا كرد."[1] مساله ديگر اين است كه ما معادلاتي را با مشاهدات تجربي استخراج كرده و اينك از همان معادلات براي توصيف پديده مورد نظر استفاده مي كنيم. درست مثل اينكه اصطلاح نارنج را با مشاهده ميوه نارنج ابداع كرده ايم آنگاه اگر از ما بخواهند كه رنگ ميوه نارنج را توصيف كنيم خواهيم گفت نارنجي!
حال آنكه اين تفاسير بوضوح ad hoc مي باشند. البته طبيعي است كه اينگونه باشد و ما هميشه در تفسير رفتار وعملكرد يك شيء خاص, تنها چيزي را كه بررسي مي كنيم اوصاف ذاتي و لاينفك همان شيء خاص است. معادلات رياضي با مشاهده رفتار سيستم استخراج شده و تنها بواسطه آن است كه مي توان رفتار سيستم را تعبير نمود.

2.2 آيا مي توان امتناع رفتار آزاد را از قانون اول استنتاج كرد؟
آيا معادلات بر پديده ها ارجح هستند؟ پير دوئم استدلال مي كند كه اينگونه نيست. به اعتقاد دوئم , معادلات از ابتدا وجود نداشته اند و آنها با مشاهده يك نظم عمومي در رفتار سيستم استخراج و تنظيم شده اند. بنابراين لايتغير بودن اين معادلات فقط به دليل انطباق آنها با پديده ها در همه زمانهاست و اين مساله گواهي بر محال بودن ارادهء آزاد نيست. هرگز نمي توانيم ثابت و هميشگي بودن معادلات را دليل بر اين بگيريم كه قوانين عيني مطلقاً جبري هستند. بدين ترتيب قانون اول ترموديناميك نيز فقط معادله اي است كه از مشاهدات تجربي تصويرسازي شده و هرگز منجر به اين استنتاج نخواهد شد كه قوانين و واقعيات عيني نيز لايتغير خواهند بود. اصل بقاي انرژي حكمي عام و مسلم درباره اعيان موجود خارجي نيست. بلكه يك فرمول رياضي است كه به فرمان آزادانه ذهن ما ساخته شده است تا همراه با فرمولهاي ديگر كه به همين نحو ساخته مي شود ما را مجاز و قادر بدارد تا از آنها نتايجي را استنتاج بكنيم كه به خوبي و درستي بر قوانين مكشوف آزمايشگاهي انطباق يابند وازآنها حكايت كنند." نه فرمول بقاي انرژي و نه سايرفرمولهايي كه با آن همراه ميكنيم هيچكدام را نميتوان گفت درست يا نادرستند. چرا كه احكامي درباره واقعيات عيني نيستند. آيا امتناع رفتار مختارانه جزو لوازم اصل بقاي انرژي است يا نه؟ و اينجا بايد گفت اصل بقاي انرژي هيچ نتيجه عيني و خارجي در بر ندارد. چگونه مي توان از اصل بقاي انرژي و اصول مشابه آن اين نتيجه را استنتاج كرد كه ارادهء آزاد محال است؟ به خاطر
مي آوريم كه اين اصول گوناگون معادل دستگاهي از معادلات ديفرانسيل اند كه بر تغييرات حالات اجسام تابع آنها حاكمند. نتيجه اين مي شود كه در ميان اين اجسام هيچ حركت آزادي نمي تواند به وجود آيد. حال مي پرسيم ارزش اين استدلال چقدر است؟
ما اين معادلات ديفرانسيل را و يا اصولي را كه صورت اصلي آنها هستند برگرفتيم چون كه مي خواستيم تصويري رياضي از گروهي از پديده ها داشته باشيم. براي نمايش اين پديده ها به كمك دستگاهي از معادلات ديفرانسيل, پيشاپيش مفروض گرفتيم كه آن پديده ها تابع جبر مطلق اند." با توجه به ديدگاه دوئم درمي يابيم كه ما در ساختن يك مدل و تصوير رياضي بر اثر مشاهدهء تجربي يك پديده, فرض را بر نوشتن معادله اي گذاشتيم كه ابدي و پايدار است. يعني از قبل مطمئن بوده ايم كه جايي براي ارادهء آزاد در اين طبقه بندي باقي نيست. با اين وصف واضح است كه از لايتغير بودن معادله نمي توان به لايتغير بودن واقعيت عيني حكم داد.همانطور كه در مثالي گفتم ما از اين رو نارنجي را به عنوان يك توصيف پايدار از يك رنگ مي شناسيم كه از پيش يقين داريم رنگ ميوهء نارنج هميشه و در همه زمانها بدون تغيير خواهد بود. و با همين پيش فرض است كه مي توانيم اصطلاح نارنجي را به هر جسم همرنگ با ميوه نارنج اطلاق كنيم. و به همين دليل هم هست في المثل رنگي به نام (كتابي) نداريم. زيرا كه پيشاپيش مي دانيم رنگ كتابها هميشه يكجور نيست. از اين رو نبايد تصور كنيم كه يك معادله, طبيعت و پديده ها را ملزم به تابعيت از خود مي كند. معادلهء قانون اول ترموديناميك پديده ها را تابع يك جبر مطلق العنان نمي كند بلكه فقط تصويري ذهني يا مدلي رياضي است. حتي اگر حقيقت عيني پديده, ثابت و پايدار هم باشد اين امر را نمي توانيم از لايتغير و پايدار بودن مدل رياضي آن پديده استنتاج بكنيم.

[ریپورتر]

بخش دوم


قانون دوم ترموديناميك متضمن اين مفهوم است كه يك فرايند فقط در يك جهت معين پيش مي رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نيست. اين محدوديت براي جهت وقوع يك فرايند, مختصه قانون دوم است.اگرسيكلي متناقض با قانون اول ترموديناميك نباشد, دليلي براين نيست كه آن سيكل حتماً اتفاق مي افتد. همين امر منجر به تنظيم قانون دوم ترموديناميك شده است. دو بيان كلاسيك از قانون دوم ترموديناميك وجود دارد كه هر دو بيانگر يك مفهوم اساسي هستند: بيان كلوين- پلانك و بيان كلازيوس , بيان كلوين- پلانك بر پايه توضيح عملكرد موتورهاي حرارتي است وبيان مي دارد كه غيرممكن است وسيله اي بسازيم كه در يك سيكل عمل كند و در عين حال كه با يك مخزن تبادل حرارت دارد اثري بجز صعود وزنه داشته باشد. اين بيان از قانون دوم ترموديناميك در بر گيرنده اين مضمون است كه غير ممكن است كه يك موتور حرارتي مقدار مشخصي حرارت را از جسم درجه حرارت بالا دريافت كند و همان مقدار نيز كار انجام دهد. بيان كلازيوس نيز يك بيان منفي است و اعلام مي دارد كه غير ممكن است وسيله اي بسازيم كه در يك سيكل عمل كند و تنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به جسم گرمتر باشد. اين بيان بر پايه توضيح عملكرد پمپهاي حرارتي مي باشد و دربرگيرنده اين مفهوم است كه نمي توان يخچالي ساخت كه بدون كار ورودي عمل كند. هر دو بيان كلاسيك از قانون دوم ترموديناميك نوعاً بيانهاي منفي هستند و اثبات بيان منفي ناممكن است. درباره قانون دوم ترموديناميك گفته ميشود "هر آزمايش مربوطي كه صورت گرفته به طور مستقيم يا غيرمستقيم ﻤﺆيد قانون دوم بوده و هيچ آزمايشي منجر به نقض قانون دوم نشده است. همانگونه كه ذكر شد تنها گواه ما بر صحت قانون دوم ترموديناميك آزمايشات گوناگوني است كه همگي درستي اين قانون را ﺘﺄييد مي كنند. با اين همه در ترموديناميك كلاسيك سعي مي كنند نشان دهند كه اثبات معادل بودن دو بيان كلوين- پلانك و كلازيوس دليلي بر صحت قانون دوم ترموديناميك است. در حاليكه اين امر درستي قانون دوم را اثبات نمي كند. در اثبات اينكه دو بيان فوق الذكر معادل يكديگرند از يك مدل منطقي بهره جسته مي شود كه مي گويد: " دو بيان, معادل هستند اگر صحت هر بيان منجر به صحت بيان ديگر گردد و اگر نقض هر بيان باعث نقض بيان ديگر شود."

http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image001.jpg




http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image002.jpg
در ترموديناميك كلاسيك ,معادل بودن دو بيان كلوين- پلانك و كلازيوس با اين آزمايش ذهني استنتاج مي شود. در شكل نشان داده مي شود كه نقض بيان كلازيوس منجر به نقض بيان كلوين- پلانك مي شود. وسيله سمت چپ ناقض بيان كلازيوس است. زيرا كه يك پمپ حرارتي است كه نيازي به كار ندارد. وسيله سمت راست يك موتور حرارتي است. در اينجا به دليل اينكه انتقال حرارت خالص با منبع درجه حرارت پايين وجود ندارد پس پمپ حرارتي و موتور حرارتي و منبع درجه حرارت بالا مشتمل بر يك سيكل ترموديناميكي است اما فقط با يك مخزن تبادل حرارت دارد بنابراين نتيجه مي شود كه ناقض بيان كلوين- پلانك مي باشد. و گفته مي شود تساوي كامل اين دو بيان هنگامي اثبات مي شود كه نقض بيان كلوين- پلانك نيز موجب نقض بيان كلازيوس بشود. با اين وصف بايد بپذيريم كه دو بيان فوق, منتج از يكديگر هستند. " در اثبات معادل بودن چند گزاره اگر عبارتي بصورت B ↔A بيان شده باشد آنگاه B نتيجه A است و A هم نتيجه B , بعبارت ديگر AوB معادل يكديگر هستند, بالعكس اگر A وB معادل يكديگر باشند, هريك از آنها نتيجه ديگري است.



http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image003.jpg




معادل بودن دو بيان كلوين- پلانك و كلازيوس را مي توان با استفاده از قانون لايب نيتس نشان داد كه مي گويد: اگر Aو B يكسان و همانند باشند بايد تمام ويژگيها و خاصه هاي آنها نيز يكسان باشد. از اصل لايب نيتس گاهي به عنوانidentical_ indescernibility of_ يا اصل نامتمايز بودن همانها ياد مي شود. در واقع اين اصل منطقي بيان مي دارد كه " اگر يك ويژگي يافت شود كه A آن را داراست اما B فاقد آن است بنابراين A وB موجوديتهاي مجزايي خواهند بود. دو بيان كلازيوس و كلوين- پلانك معادل يكديگرند زيرا كه هر دو متضمن اين ويژگي هستند كه ساخت يك ماشين حركت دائمي Perpetual movement machine)) ممكن نميباشد. روشهاي اثبات منطقي در بسياري از قضاياي ترموديناميك بر پايهء آزمايشهاي ذهني مي باشد. نظير اثبات قضاياي كارايي سيكل كارنو كه در آن نخست فرضي را مطرح كرده و سپس نشان داده مي شود كه آن فرض به نتايج غيرممكن مي انجامد و چون روش استدلال در اين آزمايش ذهني نوعاً درست بوده تنها حالت ممكن اين است كه فرض اوليه نادرست باشد.


نامساوي كلازيوس و قانون دوم ترموديناميك

http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image004.jpg
اغلب گفته مي شود كه نامساوي كلازيوس لازمه قانون دوم ترموديناميك است. نامساوي كلازيوس را با بررسي سيكل موتور حرارتي و يخچال اثبات مي كنند. اما با التفات به اثبات نامساوي كلازيوس بايد بپرسيم كه چگونه نامساوي كلازيوس لازمه قانون دوم است در حاليكه طي مراحل آن از قانون دوم مستثني نيست و در روند اثبات آن مدام به قانون دوم استناد مي شود؟ در اينجا نامساوي كلازيوس ,صحت خود را از درستي ازپيش معلوم فرض شدهء قانون دوم وام مي گيرد "هر دليلي كه در دفاع از فرضيه اي اقامه مي كنيم بايد غير از نتيجه و مستقل از آن باشد. اگر تنها گواه صدق ما خود نتيجه باشد استنتاج مشتمل بر دور و لذا كاملاً نارضايت بخش خواهد بود." گواه صدق نامساوي كلازيوس نيز قانون دوم است بنابراين نامساوي كلازيوس نمي تواند لازمه قانون دوم ترموديناميك باشد.
http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image005.jpg





http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image006.jpg


نتايج فلسفي قانون دوم ترموديناميك


همانطور كه قانون اول ترموديناميك منجر به تنظيم خاصيتي به نام انرژي شد قانون دوم ترموديناميك به ابداع مفهوم مجردي به نام آنتروپي (Entropy) مي انجامد. اين قانون ازاهميت فلسفي فوق العاده اي برخورداراست و هميشه نظريات و مباحثات گوناگوني پيرامون آن در گرفته است. قانون دوم ترموديناميك را عده اي به عنوان دليلي بر وجود خدا بسيار با ارزش تلقي كرده اند(خدايي كه جهان را در حالت كمترين آنتروپي آفريد و از آن پس جهان مدام از اين حالت دورتر مي شود و رو به تباهي مي رود).اما برعكس عده اي هم آنرا به دليل ناسازگاري با ماترياليسم ديالكتيك ونفي كمال پذيري وضعيت انسان مردود دانسته اند.آنتروپي معياري براي بي نظمي يك سيستم است. هرقدر نظم ساختاري و عملكردي يك سيستم كمتر باشد گفته مي شود آنتروپي آن بيشتر است. طبق قانون دوم ترموديناميك هر فعاليت طبيعي موجب افزايش آنتروپي مي شود و جهت و گرايش طبيعت نيز به سوي بي نظمي است. "اوراق منظمي كه پشت سر هم چيده شده اند يا كتابهايي كه بطور مرتب در قفسهء كتابخانه قرار دارند ,اگر كوششي در جهت برقراري نظم آنها انجام نگيرد و مثلاً اهميتي داده نشود تا هر كتاب برداشته شده باز به جاي اوليه اش برگردانده شود بي نظمي يا به عبارتي آنتروپي آن روز به روز بيشتر خواهد شد. شايد به نظر برسد كه در طبيعت فرايندهايي هم هست كه در آنها از يك حالت بي نظم به يك حالت منظم برسيم. مثلا فرايند ساختن ساختمان عبارتست از نظم دادن به مقداري آجر خاك سيمان و آهن پراكنده و بي نظم واينطور برداشت شود كه چنين فرايندهايي در جهت افزايش نظم و به تبع آن كاهش آنتروپي پيش مي رود. اما بايد گفت كه قانون دوم ترموديناميك يك سيستم را مجزا از محيط در نظر نمي گيرد. آنچه افزايش مي يابد آنتروپي كل است شامل محيط و سيستم. ممكن است در بخشهايي از سيستم شاهد كاهش آنتروپي ودر نتيجه افزايش نظم باشيم اما بي ترديد در جايي ديگر با افزايش بيشتري در ميزان بي نظمي روبرو خواهيم بود. "مي توان نشان داد كه تمركز نظم در يك نقطه به قيمت افزايش بي نظمي در نقطه اي ديگر است.آنچه از تئوري و آزمايشات بر مي آيند نشان مي دهند كه در كل هر سيستم مقدار افزايش بي نظمي بيشتر از كاهش آن است و از اين رو مجموعاً در هر فرايندي مقدار بي نظمي(آنتروپي) زياد مي گردد." در يك تحليل آماري مي توان به اين نتيجه رسيد كه همواره تعداد حالات بي نظم يك سيستم بسيار پرشمارتر از حالات منظم آن اند. "تكه هاي يك عكس را درون يك جعبه در نظر بگيريد. اين تكه ها در يك و تنها يك آرايش تصويري كامل مي سازند. از سويي ديگر آرايشهاي بسيار زيادي هستند كه تصويرچيزي را درست نمي كنند و تكه هاي عكس در حالت بي نظمي به سر مي برند. هر چه جعبه را بيشتر تكان بدهيم تعداد آرايشهاي درهم و برهم كه بيانگر هيچ تصويري نباشند بيشتر مي گردد. از ديدگاه آماري احتمال اينكه يك فرايند در جهت كاهش آنتروپي پيش رود صفر نيست. به بيان ديگر امكان بروز چنين حالتي به قدري كم است كه گويي غير ممكن است. اما نمي توان صراحتاً گفت كه هيچ امكاني براي آن متصور نيست.جعبه اي را كه حاوي يك گاز و در تعادل ترموديناميكي است در نظر مي گيريم. طبق تعريف, گاز موجود در جعبه حداكثر آنتروپي ممكن را خواهد داشت. نظر به اينكه همه مولكولها به طور مداوم در حركتند احتمال اينكه مولكولهاي هوا به شكل خاصي قرار بگيرند و مثلا همه در يك گوشه جعبه متمركز شوند وجود دارد ولي اين احتمال فوق العاده كم است. يعني از ميليارد ميليارد حالتي كه اين مولكولها مي توانند داشته باشند تنها يك حالت ممكن است آن حالت منظم مورد نظر ما باشد كه آنتروپي كمتري دارداحتمال چنين اتفاقي تقريباً صفر است. واقعيت اين است كه از نظر رياضي اين امكان وجود دارد كه چنان آرايش منظمي اتفاق بيفتد ولي احتمال آن فوق العاده كوچك است.


افزايش بي نظمي و مرگ حرارتي
(Heat death)


يكي از تعابيري كه با اعمال قانون دوم ترموديناميك به كل جهان به دست مي آيد اين است كه جهان در آغاز پيدايش, آنتروپي مشخصي داشته است ولي مقدار آن رفته رفته افزايش پيدا كرده است.اين افزايش آنتروپي تا جايي ادامه پيدا مي كند كه جهان به حالت تعادل ترموديناميكي برسد. آنگاه از فعاليت باز خواهد ماند و هيچ اتفاقي در آن به وقوع نخواهد پيوست و به اصطلاح خواهد مرد. اين فرايند به مرگ حرارتي (Heat death) جهان معروف است. چنين استدلال مي شود كه "با فرض اينكه جهان در آغاز خلقت در يك حالت كاملاً نامنظم و هرج و مرج كامل و تعادل ترموديناميكي بوده باشد احتمال اينكه به طور اتفاقي يك جهان منظم ايجاد شده باشد فوق العاده كم است. پس بايد خالقي باشد كه علاوه بر خلق همان جهان نامنظم آغازين, يكي از ميلياردها ميليارد حالت را برگزيند تا جهاني منظم مانند آنچه ما شاهدش هستيم به وجود آيد." نظريات مخالفي هم وجود دارد كه بيان مي دارند جهان مي توانست در يك مدت طولاني در حالت تعادل ترموديناميكي باقي بماند. در چنان وضعيتي بالاخره لحظه اي مي رسيد كه در گوشه اي به طور اتفاقي نظم به وجود بيايد. "اگرمدت ماندن جهان در حالت تعادل ترموديناميكي واقعاً بلند باشد احتمال آن افزايش مي يابد. خصوصاً اگر جهان را ازلي بدانيم ديگرمشكلي ازنظر زمان طولاني نخواهيم داشت. يكي از مشهورترين افرادي كه وجود خالقي براي نظم دادن را لازم نمي بيند فيزيكدان مشهور آلماني بولتزمن(boltzmann) است." جهت افزايش بي نظمي به بياني همان پيكان زمان است كه فقط در يك سو جريان دارد. يعني تغييرحالت سيستم از يك حالت كم احتمال به يك حالت پر احتمال. ديدگاههايي كه به پايان جهان در حالت تعادل ترموديناميكي و بي نظمي حداكثر معتقدند ابراز مي دارند كه چون جهان به سوي بي نظمي و هرج و مرج مي رود و مقدار بي نظمي آن روز به روز افزايش مي يابد پس به همين دليل مي توان پيش بيني كرد كه جهان هستي روزي به يك مقدار ماكزيمم در بي نظمي رسيده و فرو مي پاشد. اين تعبير طرفداران بي شماري دارد زيرا پيش بيني فرجام محتوم جهان خلقت در حالت مرگ و زوال مستلزم اين است كه جهان هستي, ازلي و بي آغاز نبوده بنابراين آغاز و آفرينشي در كار بوده و بدين ترتيب از اين امر, وجود خدا را استنتاج مي كنند. در اينجا لازم است پديدهء مرگ و زوال از ديدگاه ترموديناميكي تبيين شود."از جمله تواناييهاي جالب تمام موجودات زنده خودساختاردهي است. بدين معني كه ما براي ادامه زندگي, مدام به نظم دادن به ساختارهاي بي نظم خود مي پردازيم. البته اين فرايند مستلزم صرف انرژي و در نتيجه افزايش ناخواسته آنتروپي و ميزان بي نظمي ساختارمان است. موجودات زنده براي زنده ماندن به تغذيه و تنفس نياز دارند. "مواد غذايي ساختاري پيچيده و منظم دارند و آنتروپي آنها پايين است. هر سيستمي كه آنتروپي پاييني داشته باشدانرژي متمركز يا مفيد بيشتري دارد و لذا انرژي مفيد مواد غذايي بالاست.و اين مهمترين مشخصه آنهاست. بنابراين تغذيه و تنفس براي يك موجود زنده عبارتست از وارد كردن مواد كم آنتروپي به بدن و در نهايت پايين آوردن آنتروپي كل و طولاني كردن عمر" از اين رو زماني كه موجود زنده اي در ارتباط با محيط نباشد زمان زيادي طول نمي كشد كه كليه حركاتش تحت ﺘﺄثير اصطكاك و ساير عوامل برگشت ناپذيري كه به افزايش آنتروپي مي انجامند متوقف شده توزيع دما در سرتاسر بدن موجود زنده يكنواخت گردد و در ادامه موجود زنده به يك تعادل ترموديناميكي برسد كه مرگ خوانده مي شود. ما براي ادامه دادن به حيات خود, سعي مي كنيم سرعت رسيدن به تعادل ترموديناميكي را كندتر كنيم و اجازه ندهيم تا آنتروپي و بي نظمي بدن مان به مقدار ماكزيمم خود برسد. اما همواره مقدار انرژي مصرفي بدن موجود زنده, بيشترازانرژي كسب شده آن است و در نتيجه بي نظمي يك سيستم زنده بي ترديد به يك مقدار حداكثري مي رسد. مانند تمام رويدادهاي طبيعت كه با افزايش آنتروپي همراهند, آنتروپي موجود زنده نيز به دليل خودساختاردهي (كه براي كند كردن روند رسيدن به تعادل صورت مي گيرد) مدام در حال افزايش است. بنابراين مرگ, همان رسيدن به حالت تعادل ترموديناميكي يا مقدار ماكزيمم بي نظمي براي بدن موجود زنده است.

چند مغالطه در استنتاج امتناع حيات جاودانه جهان

اما استدلال كساني كه مرگ جهان و رسيدن آن به حداكثر آنتروپي را از اصل افزايش آنتروپي استنتاج كرده اند در برگيرندهء چند مغالطهء آشكار است. اولين آن مغالطه" تعويض وجه با كنه" يا "چهره با كل" (مغالطهء هيچ نيست بجز, nothing but) است. بدين معني كه گفته نمي شود كدام وجه جهان در جهت نابودي و فروپاشي پيش مي رود. و مثلاً آيا اين امر براي وجوه ديگر جهان مثلا تنوع گونه هاي زيستي هم صادق است يا خير. آيا كل جهان را ميتوان بعنوان يك سيستم در نظر گرفت ؟ آيا مجموعه همه سيستمها خود يك سيستم است؟ (مي دانيم كه چنين نيست مثلا مجموعه چند حرف كنار يكديگر, ديگر حرف نيست بلكه كلمه است). چگونه مي توانيم همان قواعدي را كه براي اجزا به كار مي بريم براي كل نيزاستفاده كنيم؟ آيا مجاز به چنين استنتاجي از مشاهده وضع كنوني جهان و اصل افزايش آنتروپي ميباشيم؟ قطعاً پاسخ به چنين پيشگويي قاطعانه اي از فرجام جهان, منفي است. در چنين جهاني هيچ جايي براي ارادهء آزاد باقي نمي ماند و هر چيزي از پيش تعيين شده خواهد بود. اما در نظر گرفتن مساله فوق با همان مغالطه تعويض وجه با كنه نيز "مستلزم اين نخواهد بود كه مقدار آنتروپي هيچگونه حد كمترين يا بيشتريني داشته باشد و مقدار آنتروپي مي تواند تا بي نهايت ادامه پيدا كند و هيچ مقدار حداكثري هم نداشته باشد" با اين تفاسير ,استنتاج امتناع حيات جاودانه براي كل جهان ازاصل افزايش آنتروپي غيرقابل قبول است. دوئم (Pierre duhem) ميگويد:" ما ترموديناميكي در اختيار داريم كه عده اي از قوانين تجربي را به خوبي حكايت مي كند و به ما مي گويد كه آنتروپي يك سيستم ايزوله در افزايش جاودانه است. بدون هيچ دشواري مي توان ترموديناميك ديگري ساخت كه به همان خوبي ترموديناميك قديم, حاكي از قوانين تجربي معلوم شده تا حال باشد و پيش بيني هايش هم براي ده هزار سال آينده با پيشگويي هاي ترموديناميك قديم همگام و موافق باشد. و در عين حال اين ترموديناميك نوين ممكن است به ما بگويد كه آنتروپي جهان پس از اينكه ظرف صد مليون سال آينده افزايش مي يابد براي صد مليون سال بعد ازآن مرتباً و متوالياً كاهش خواهد يافت و سپس دوباره افزايش خواهد يافت و... , علم تجربي به مقتضاي طبع از پيش بيني انتهاي جهان و ادعا درباره فعاليت دائم آن عاجز است" ثانياً براي يك پيشگويي علمي همواره براي حصول نتيجه بايد يك قانون كلي داشته باشيم به اضافه قضاياي مخصوصه كه اين دو در كنار يكديگر, مقدمات تفسير را شكل مي دهند." درهر تفسير قياسي وجود يك قانون كلي به انضمام شرايط خاص حادثه ضروريست. بعبارت ديگراستنتاج نتيجه از يك تك مقدمه غيرممكن است.
http://hupaa.com/Data/other/partII_files/image007.jpg


از قانون دوم ترموديناميك و به تبع آن از اصل افزايش آنتروپي, نمي توان رسيدن كل جهان را به حالت ماكزيمم بي نظمي را استنتاج نمود به اين دليل كه شرايط خاص حادثه(Initial conditions) را در دست نداريم وبدون هيچگونه مدرك مستدلي, آن را معلوم فرض كرده ايم . در ثاني پيشاپيش فرض كرده ايم كه همه تجربيات آينده از مشاهدات ترموديناميكي به همين صورت كنوني باقي خواهد ماند و آنگاه اين موضوع را كه اصل افزايش آنتروپي به مرگ جهان مي انجامد, پيش بيني كرده ايم. بنابراين مقدمات اين تفسير,ناقص هستند.از اين رو طرح اين مساله كه از قانون دوم ترموديناميك, امتناع حيات جاودانه جهان استنتاج مي شود چند ايراد منطقي از جمله مغالطه تعويض وجه با كنه, و پيش فرضهاي تجربه ناپذير را در بر مي گيرد.

[ریپورتر]

جداول ترمودینامیکی مورد نیاز رو بر اساس واحد SI از لینک زیر دانلود نمایید
http://poya82.blogfa.com/post-13.aspx (http://poya82.blogfa.com/post-13.aspx)

[ریپورتر]

http://www.4shared.com/file/17952648...dynamicsI.html (http://www.4shared.com/file/179526489/e5a9ffe6/thermodynamicsI.html)