تحلیلی از جنبه های فلسفی قوانین ترمودینامیک
بخش اول

چکیده : در این مقاله جنبه های فلسفی و منطقی استدلال در قوانین ترمودینامیک براساس دیدگاههای کلاسیک فلسفهء علم ارا ئه میشود . آیا قوانین ترمودینامیک احکامی عام ومسلم ازاعیان خارجی و منافی اراده آزاد هستند؟ و آیا قوانین ترمودینامیک فقط و فقط اشکال ریاضی ﻤﺄخوذ ازتجربه وعاری ازهرگونه معنی ملموس هستند؟ آیا مجادله فلسفی پیرامون ترمودینامیک بیهوده است؟ دراین نوشتار پرسشهایی از این دست تحلیل و بررسی میگردد.

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(1) 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(2) 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 (3) علم مربوط میشوند نظیر همهء مسائل متافیزیکی تعقل ومنطق است و نه آزمون تجربی . تفاوت عمده ای هست میان علم پوزیتیویستی که بر پایه ی 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(4) دارد. " پدیده ای که مورد کاوش تجربی قرار می گیرد باید چنان باشد که همه بتوانند در آزمون آن شرکت کنند و هرکس با تحصیل شرایط خاص بتواند به آسانی آن را تجربه کند. اموری که تنها برای یکبار اتفاق می افتد یا اموری که تجربه آنها همگانی نیست از قلمروکاوشهای علمی بیرون می مانند" [1 ] تجربه مشاهدات تکرارپذیریست که عینی(5) بوده وهمه بتوانندآن کاوش را انجام داده و نتایجش را بررسی کنند.بنابراین واضح است که ترمودینامیک واجد شرایط تجربه پذیری علمی است. بااین وجود مباحث مربوط به ترمودینامیک فاقد آن 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 تأکید فراوانی بر استدلال استقرایی(6) دارند و اصول 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 . از آن پس میتوان یک چارچوب ذهنی ترتیب داد و به عنوان مثال با پی ریزی یک مدل منطقی میتوان مطالعه ی مکانیک شاره ها را در ادامه ی مکانیک مقدماتی و ترمودینامیک قرار داد.

آیا مجادله فلسفی پیرامون ترمودینامیک بیهوده است؟

آیا ممکن است بحثها و مجادلات فلسفی پیرامون چنین مباحثی که در حیطه و قلمرو فلسفه علم جای می گیرند اساساً پوچ و بیهوده باشند؟ صاحبنظران مکاتیب زبان شناسی علم تفسیر (Hermeneutics) نظیر پل ریکور و دوره اول ویتگنشتاین اعتقاد داشتند که مشاجرات فلسفی اصلاً درباره جهان نیستند وفقط نوعی بحث زبان شناسی هستند. در نتیجه برای آنها هرگونه فلسفه , بیشتر برای به دورافکندن فلسفه بود تا اینکه مثلاً در جهت تدوین مسائل فلسفه علم باشد. ویا طرفداران مکتب فرا استراکتورالیسم (post structuralism) و شخص میشل فوکو امکان مباحثی تحت عنوان فلسفه علم را باطل می دانند.

پوزیتیویستها (positivists) نیز قدرت علم را تا حدی زیاد می دانند که نیاز به هرگونه فلسفه ای را باطل تلقی می کنند . از دیدگاه آنان این بحثها بیشتر , نوعی "خیالبافی فیزیکی" است. از این رو _ رودلف کارناپ_ که در تاریخ فلسفه علم معاصر به عنوان یک پوزیتیویست شناخته می شود پایان عمر متافیزیک را در 1930 نشان داد و هرگونه مجادله فلسفی در این زمینه را پوچ و بیهوده اعلام کرد. در اگزیستانسیالیسم دو دیدگاه رایج در این باب وجود دارد. اگزیستانسیالیست هایی نظیر هایدگر , طبیعت را موضوع تعمق فلسفی می دانند و در نتیجه به نوعی پرداختن به فلسفه علم را می پذیرند. در حالیکه مکتب اگزیستانسیالیسم ژان پل سارتر موضوع چنین بحث های فلسفی را خود آگاهی انسان می داند.در هر حال دیدگاههای متفاوتی نسبت به حقانیت مباحث (Discourse) فلسفه علم وجود دارد. برخی این مجادلات را بیهوده و یا یک جدل بی حاصل صرفاً زبانی ارزیابی کرده اند و برخی دیگر پرداختن به این مسائل را جستجوی اساسی ترین پرسشهای فلسفی دانسته اند. موضوع این نوشتار تحلیل دیدگاههایی است که حقانیت مبحث فلسفه علم را پذیرفته اند. فلسفه علم از نظر آنچه نتایج فلسفی علوم است به بخشهای مختلفی تقسیم می شود. مسائل مرتبط با متافیزیک , مسائل معرفت شناختی (Epistemology) نظیر تئوری های شناخت و مبانی و پیش فرضهای فلسفی و دسته بندی موضوع شناخت بین عینیت و ذهنیت , یا مسائل ارزش شناختی (Axiology) و الی آخر. اما چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی یکی از مهمترین موضوعات مورد توجه در فلسفه علم می باشد . مساله چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی , مشتمل بر دونظریه اصلی میباشد _ یکی نظریه توماس کوهن (T.Kuhn)ودیگری نظریه کارل پوپر (K.popper) _ نظریه توماس کوهن تحت عنوان نظریه سوبژکتیویستی یا ذهنیتگرایانه subjectivity و همچنین نظریه کارل پوپر که در کتاب دانش عینیobjective knowledge بیان شده است بیشتر به نام نظریه ابژکتیویستی یا عینیت گرایانه (objectivity) شهرت دارد. کوهن اعتقاد داشت که "علوم بر مبنای پارادایم(paradigm ) با سرمشق های معین جلو می روند. این سرمشق ها پیش فرض های قبول شده ای هستند که در حل مسائل مورد تحقیق , هیچگاه مورد تردید واقع نمیشوند" . مثلاً در پارادایم نیوتنی , زمان و مکان مستقل از یکدیگر وجود خارجی داشته و نیرو در این سیستم برابر است با حاصلضرب جرم در شتاب. اما این پیش فرض های از پیش قبول شده بر دانش حضوری و ادراک شهودی تکیه دارند که چندان محل اطمینان و یقین نیست.از همین روست که امکان دارد سرمشقهای شهودی در پارادایم ها که در یک زمان کاملاً بدیهی بوده در زمان دیگر اعتباری نداشته باشند. بعنوان مثال پس از ارائه نظریه نسبیت , " فرض فیزیک کلاسیک در مورد مطلق بودن همزمانی , که بر مبنای بدیهیات اولیه و فرضهای پیش آزمونی قرار داشت دیگر یک بدیهی بی نیاز از تحلیل محسوب نمی شود. توماس کوهن می گوید هرگاه تعداد زیادی از مسائل تحقیق , خود پارادایم را زیر سوال ببرند شرایط بحرانی پیش آمده و در این حالت به تدریج پارادایم جدیدی شکل می گیرد که جایگزین پارادایم قدیمی میگردد. (مثل جایگزینی تئوری نسبیت اینشتین به جای تئوری های مکانیک نیوتنی) . از این رو مطابق با نظریه ذهنیت گرایانه کوهن , واقعیت های عینی , هرگز نتایج تئوریک فلسفی به بار نمی آورند وبه بیان دیگر این ذهنیت است که برعینیت تقدم دارد. در ترمودینامیک با مفاهیمی نظیر مدل ایده آل سیکل کارنو یا سیکلهای معادل آن روبرو هستیم که گفته می شود هیچ نتیجه عینی در بر ندارند. و این درحالیست که عملی نبودن سیکلهای معادل سیکل کارنو , بیشتر از جنبه مواجهه با محدودیت عمل ابزارهای مورد استفاده می باشد نه ازاین بابت که مدلهای ذهنی مذکور , اساساً امکان عملی شدن نداشته باشند. بنابراین می توان تصور کرد که روزی انسان بتواند بر محدودیتهای سد راه عملی شدن برخی از مدلهای ترمودینامیکی , غلبه کند وتجارب بعدی تدریجاً به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و حتی اصول مسلمه ترمودینامیک کلاسیک نیز مورد تردید قرار گیرند. هیچ استبعادی ندارد روزی ابزارها و سیستمهایی طراحی شوند که محدودیتهای کنونی را نداشته باشد یا شیوه هایی ابداع شود که به کمک آنها عبور ازمحدودیت و الزام قانون دوم ترمودینامیک به نوعی ممکن شود. وشاید در آنصورت تحولات شگرفی در زندگی انسان بوجود بیاید . از این رو این امکان وجود دارد که مجادله کنونی پیرامون تعابیر فلسفی ترمودینامیک , در آینده به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و از نگاه پراگماتیستی دستاوردهای عملی داشته باشد .

پایه ها ی مطالعه مکانیک شاره ها:
پایستاری جرم
قانون دوم نیوتن
اصل تکانه زاویه ای
قانون اول و دوم ترمودینامیک
شش اصل بنیادی در مکانیک مقدماتی
اصل قابلیت انتقال
قانون گرانش نیوتن
قانون اول نیوتن
قانون دوم نیوتن
قانون سوم نیوتن
قانون متوازی الاضلاع برای جمع بستن نیروها
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 پایه ی تجربه گری نیست بلکه آمیزه ای از درک شهودی(7) و تجربه ی 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 آینده ی 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(8) و میتوان تصور کرد که روزی تجربه ای خلاف آن مشاهده شود.
د: قوانین و فرضیات علمی توتولوژیک(9) نیستند ، حصر منطقی ندارند و جمیع حالات ممکن را در بر نمیگیرند .
ه: قوانین علمی گزینشی(10) هستند و هرگز همه جوانب پدیده ها را تجربه و تحقیق نمی کنند.
قوانین ترمودینامیک مجموعه ی 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 آینده ی 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 و وقتی تجربه پذیر است که ابطال پذیر باشد و وقتی ابطال پذیر است که نسبت به جهان خارج وجهت پدیده های آن بی تفاوت نباشد" [1] قوانین ترمودینامیک مثل هر قانون علمی دیگرگزینشی هستند . و فقط 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 همه ی 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.


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 حتماً 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." [2] 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 پایه ی 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. 1.1 تکامل منطقی قوانین ترمودینامیک