Chapter 17: Thermodynamics

Back to chapter

17.3:

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

JoVE Core
Química

É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou comece sua avaliação gratuita.

JoVE Core Química

Second Law of Thermodynamics

Vídeo Anterior
17.2: Entropy

Próximo Vídeo
17.4: Third Law of Thermodynamics

Idiomas

COMPARTILHAR

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

وفق القانون الأول للديناميكا الحرارية،فإن التغير في الطاقة داخل نظام ما،مساوٍومعاكس للتغير في طاقة البيئة المحيطة. عندما يُضاف مكعب جليد،وهو مثال على النظام،إلى كوب شاي ساخن،وهو مثال على البيئة المحيطة،يذوب الجليد بينما تنخفض حرارة الشاي. الحرارة التي اكتسبها مكعب الجليد،تساوي الحرارة التي فقدها الشاي.الطاقة تُحفظ أيًا كان اتجاه انتقال الحرارة. غير أن إضافة مكعب جليد لن يزيد حرارة الشاي مطلقًا لأن مقدار الحرارة التي انتقلت،لا يحدد اتجاه تدفق الحرارة. لا بد من أخذ التغير المرافق في القصور الحراري بالاعتبار،لتوضيح اتجاه انتقال الحرارة والتفاعلات التلقائية الأخرى.ينص قانون الديناميكا الحرارية الثاني على أن القصور الحراري للكون،وهو القصور الحراري الإجمالي للنظام والبيئة المحيطة به،يزداد في جميع العمليات التلقائية. وهذا يعني أن دلتا S للكون وهي الفرق في القصور الحراري بين حالات الكون النهائية والأولية،يجب أن تكون أعلى من صفر. بما أن القصور الحراري يقيس انتشار الطاقة،فإن العملية التي يتخللها انتشار أكبر لطاقة الكون في الحالة النهائية منه في الحالة الأولية،ستكون عملية تلقائية.عندما يذوب كوب جليد،تتغير جزيئات الماء من حالة الصلابة المنتظمة،إلى حالة سيولة أكثر فوضى،ويرافق ذلك تغير إيجابي في القصور الحراري للنظام،وعندما يتجمد الماء إلى جليد،تكون دلتا S للنظام سالبة. غير أن هذه العمليات كي تكون تلقائية،يجب أن يزداد القصور الحراري للكون،لذا يجب أن يكون الفرق الذي يحدد ما إذا كانت هذه العمليات تلقائية،يجب أن يكون في البيئة المحيطة. عندما يتجمد الماء،يطلق الحرارة إلى البيئة المحيطة به،مما يزيد انتشار الطاقة في البيئة المحيطة.يجب أن تكون دلتا S للبيئة المحيطة موجبة وأكبر من حيث المقدار من دلتا S للنظام،كي تكون دلتا S للكون موجبة. الماء النقي سيتجمد تلقائيًا فقط عند درجة حرارة تحت الصفر. وسبب ذلك أن الحرارة المنتقلة إلى البيئة المحيطة،عند درجات حرارة منخفضة،سينتج عنها تغير أكبر في القصور الحراري منه عند نقل كمية الحرارة ذاتها عند درجات حرارة مرتفعة.مقدار دلتا S للبيئة المحيطة يتناسب طرديًا مع كمية الحرارة التي ينقلها النظام،ويتناسب عكسيًا مع درجة الحرارة التي يُرمز لها بـT. وعليه ففي أي عملية تحدث في درجة حرارة ثابتة وضغط ثابت،فإن دلتا S للبيئة المحيطة،تساوي كمية الحرارة المنقولة إلى البيئة المحيطة،مقسومة على درجة الحرارة بالكلفن.

17.3:

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

في السعي لتحديد خاصية قد تتنبأ بشكل موثوق بتلقائية العملية، تم تحديد مرشح واعد: الإنتروبيا. غالبًا ما تكون العمليات التي تتضمن زيادة في إنتروبيا النظام (ΔS > 0) تلقائية؛ ومع ذلك، فإن الأمثلة على عكس ذلك وفيرة. من خلال توسيع النظر في تغييرات الانتروبيا لتشمل المناطق المحيطة، يمكن الوصول إلى نتيجة مهمة تتعلق بالعلاقة بين هذه الخاصية والعفوية. في النماذج الديناميكية الحرارية ، يشتمل النظام والبيئة المحيطة على كل شيء، أي الكون ، وبالتالي فإن ما يلي صحيح:

لتوضيح هذه العلاقة ، ضع في اعتبارك مرة أخرى عملية تدفق الحرارة بين كائنين ، أحدهما محدد على أنه النظام والآخر على أنه محيط. هناك ثلاثة احتمالات لمثل هذه العملية:

درجات حرارة الأجسام مختلفة ، وتتدفق الحرارة من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة. يُلاحظ دائمًا أن هذا يحدث تلقائيًا. تعيين الكائن الأكثر سخونة كنظام واستدعاء تعريف الانتروبيا ينتج عنه ما يلي:

The magnitudes of −q_sys and q_sys متساويان، تشير علاماتهما الحسابية المعاكسة إلى فقدان الحرارة من قبل النظام واكتساب الحرارة من المناطق المحيطة. بما أن T_sys > T_محيط في هذا السيناريو، فإن انخفاض الانتروبيا في النظام سيكون أقل من زيادة إنتروبيا البيئة المحيطة، وهكذا تزداد إنتروبيا الكون:

تكون الأجسام في درجات حرارة مختلفة ، وتتدفق الحرارة من المبرد إلى الجسم الأكثر سخونة. لا يحدث هذا مطلقًا بشكل تلقائي. مرة أخرى ، يؤدي تعيين الكائن الأكثر سخونة على أنه النظام واستدعاء تعريف الانتروبيا إلى ما يلي:

العلامات الحسابية لـ q_sys تشير إلى اكتساب النظام للحرارة وفقدان الحرارة من المناطق المحيطة. سيكون حجم التغير في الانتروبيا في المناطق المحيطة أكبر مرة أخرى من حجم النظام ، ولكن في هذه الحالة، ستنتج علامات تغير الحرارة (أي ، اتجاه تدفق الحرارة) قيمة سالبة لـ ΔS_كون تتضمن هذه العملية انخفاضًا في إنتروبيا الكون.

تكون الكائنات في الأساس في نفس درجة الحرارة ، T_sys ≈ T_محيط، وبالتالي فإن مقادير الانتروبيا تتغير بشكل أساسي لكل من النظام والمناطق المحيطة. في هذه الحالة ، تغير الكون في الكون هو صفر ، والنظام في حالة توازن .

تؤدي هذه النتائج إلى بيان عميق فيما يتعلق بالعلاقة بين الانتروبيا والعفوية المعروفة باسم القانون الثاني للديناميكا الحرارية: كل التغييرات العفوية تسبب زيادة في إنتروبيا الكون. ملخص لهذه الثلاثة يتم توفير العلاقات في الجدول أدناه.

القانون الثاني في الديناميك الحراري
ΔS_univ > 0	عفوي
ΔS_univ < 0	غير عفوي (عفوياً في الاتجاه المعاكس)
ΔS_univ = 0	at توازن

بالنسبة للعديد من التطبيقات الواقعية، تكون المناطق المحيطة شاسعة مقارنة بالنظام. في مثل هذه الحالات، فإن الحرارة التي تكتسبها البيئة المحيطة أو تفقدها نتيجة لبعض العمليات تمثل جزءًا صغيرًا جدًا، شبه متناهي الصغر، من إجمالي طاقتها الحرارية. على سبيل المثال، يتضمن احتراق الوقود في الهواء نقل الحرارة من نظام (جزيئات الوقود والأكسجين التي تخضع للتفاعل) إلى محيط أكثر ضخامة بشكل لا نهائي (الغلاف الجوي للأرض’). ونتيجة لذلك، فإن q_محيط هو تقريب جيد لـ q_نظام، ويمكن ذكر القانون الثاني على أنه ما يلي:

هذه المعادلة مفيدة للتنبؤ بعفوية العملية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.2: The Second and Third Law of Thermodynamics.

Tags

Second Law Of Thermodynamics Energy Change System Surroundings Ice Cube Hot Tea Heat Transfer Entropy Spontaneous Reactions Universe Total Entropy Final State Initial State Energy Dispersal Water Molecules Ordered Solid Disordered Liquid State