جابجایی بی‌پایان میان گرم و سرد سرانجام پایان جهان را رقم خواهد زد

ترمودینامیک علم بررسی گرما و انرژی است. در قلب آن قوانینی وجود دارند که چگونگی جابجایی انرژی درون یک سیستم را توضیح می‌دهند، سیستمی که می‌تواند یک اتم، گردباد یا سیاه‌چاله باشد. نخسایت قانون ترمودینامیک توضیح می‌دهد که چطور انرژی نمی‌تواند به وجود آید یا از بین برود و صرفا از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌شود. دومین قانون به هر حال شناخته‌شده‌تر و به مراتب عمیق‌تر است چراکه محدودیت‌های کار جهان را توضیح می‌دهد. این قانون درباره ناکارآمدی، تبهگنی و واپاشی است و به ما می‌گوید تمام آنچه که انجام می‌دهیم ذاتا اسراف‌کارانه است و فرایندهایی در جهان وجود دارند که برگشت‌ناپذیر هستند. این قانون جهت پیکان زمان را به ما نشان می‌دهد و می‌گوید که سرنوشت گریزناپذیر جهان ما مخروبه‌ای سرد و تاریک خواهد بود.

باوجود این ایده‌های مایوس‌کننده، اصول ترمودینامیک در زمانه‌ای فرمول‌بندی و تدوین شدند که خوش‌بینی فناورانه زیادی حاکم بود دوران انقلاب صنعتی. در اواسط قرن نوزدهم که فیزیک‌دانان و مهندسان مشغول ساختن موتورهای بخار بودند تا کارها و حمل‌ونقل را مکانیزه کنند، تلاش می‌کردند بفهمند چطور می‌توانند آن موتورها را قوی‌تر و کارآمدتر بسازند.

بسیاری از دانشمندان و مهندسان، ازجمله رودلف کلاوزیوس (R.Clausius)، جیمز ژول (J.Joule) و لرد کلوین، در به وجود آمدن ترمودینامیک نقش داشتند اما پدر این رشته دانشمندی فرانسوی به نام سعدی کارنو (S.Carnot) است. کارنو در سال ۱۸۲۴ اثری با عنوان «تامل در باب توان محرکه آتش» منتشر کرد که در واقع اصول پایه ترمودینامیک را بنا کرد، اصولی که با زحمت بسیار و از مشاهده نحوه جابجایی انرژی در موتورها و چگونگی ارتباط میان گرمای تلف‌شده و کار مفید، به دست آمد.

قانون دوم را می‌توان به چند روش بیان کرد، ساده‌ترینش این است که گرما به طور طبیعی از جسم گرم‌تر به جسم سرد‌تر جریان می‌یابد. در قلب این قانون یک ویژگی کلیدی سیستم‌های ترمودینامیکی موسوم به انتروپی وجود دارد که در معادله بالا با حرف S نشان داده شده است. انتروپی به ساده‌ترین بیان ممکن مقیاسی از مقدار بی‌نظمی در یک سیستم. این مفهوم را به شیوه‌های متعددی می‌توان نشان داد برای مثال در چیدمان مولکول‌ها مولکول‌های آب در یک تکه یخ در مقایسه با وقتی که گرما می‌بینند و به شکل بخار آب در‌می‌آیند بسیار منظم‌تر هستند. در واقع همان مولکول‌های آب وقتی در یک تکه یخ باشند درون یک شبکه بلوری معین قرار می‌گیرند اما در حالت گاز به شکلی غیرقابل‌پیشبنی شناور می‌شوند. بنابراین انتروپی یخ به مراتب کمتر از انتروپی بخار آب است. به طریق مشابه، انتروپی یک پشقاب وقتی کف زمین خرد شده باشد خیلی بیشتر از موقعی است که به شکل سالم و یک‌تکه درون سینک ظرف‌شویی قرار دارد.

تعریف رسمی‌تر انتروپی بر حسب گرمای جابجاشده در یک سیستم، با اولین معادله بالا ارائه می‌شود. «تغییرات بسیار کوچک در انتروپی یک سیستم» (dS) با تقسیم «مقدار گرمای وارد شده به یک سیستم بسته» (δQ)  بر «دمای نقطه‌ای که انتقال گرما رخ داده» (T) به دست می‌آید.

معادله دوم در واقع روشی برا بیان قانون دوم ترمودینامیک بر حسب انتروپی است. این فرمول می‌گوید که انتروپی یک سیستم طبیعی بسته همواره تمایل دارد یا به همان مقداری که هست باقی بماند یا افزایش یابد به بیان دیگر انرژی موجود در جهان به تدریج به سوی بی‌نظمی می‌رود. بیان اصیل قانون دوم ترمودینامیک از همین معادله بیرون می‌آید: در یک سیستم بسته، گرما نمی‌تواند خودبه‌خود از یک جسم سرد (انتروپی پایین) به یک جسم گرم (انتروپی بالا) جاری شود چراکه چنین چیزی این معادله را نقض خواهد کرد. ظاهرا یخچال‌ها با توجه به اینکه می‌توانند چیزهایی را تا دماهای بسیار پایین‌تر از هوای اطراف‌شان منجمند کنند، این قانون را زیر پا می‌گذارند. اما شک نکنید که یخچال قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند، نکته اینجاست که یخچال یک سیستم بسته نیست و برای بیرون کشیدن گرما از فضای داخلش به تغذیه پیوسته از انرژی الکتریکی نیاز دارد. یخچال دمای اتاق را افزایش می‌دهد و اگر از برق کشیده شود به طور طبیعی با اتاق به تعادل گرمایی می‌رسد.

این فرمول برای زمان جهت وضع می‌کند؛ در حالی که تمام قوانین فیزیکی دیگری که می‌شناسیم، زمان چه به جلو برود و چه به عقب برگردد، عملکرد یکسانی خواهند داشت اما این مساله در مورد قانون دوم ترمودینامیک صدق نمی‌کند. هر اندازه که زمان بگذارید امکان ندارد یک ظرف آب در حال جوش به یک تکه یخ تبدیل شود. بشقاب شکسته هرگز نمی‌تواند خودش را بازسازی کند، چراکه انتروپی سیستم در تضاد با قانون دوم ترمودینامیک کاهش خواهد یافت. کارنو در مشاهداتش به این نکته پی برد که برخی از فرایندها برگشت‌ناپذیند.

کارنو موتورهای بخار را بررسی کرد. این موتورها از طریق سوزاندن سوخت دمای یک سیلندر حاوی بخار را افزایش می‌دهند و انبساط بخار به یک پیستون فشار وارد می‌کند تا در نهایت کار مفید ی انجام شود. به بخشی از انرژی استخراج‌شده از سوخت که صرف انجام چیز مفیدی می‌شود می‌گوییم «کار» و به مابقی انرژی سوخت که تلف می‌شود نیز می‌گوییم «گرما». کارنو نشان داد که با اندازه‌گیری اختلاف دمای داخل سیلندر با دمای هوای اطراف آن می‌توان حداکثر بازده نظری یک موتور بخار را پیش‌بینی کرد. به زبان ترمودینامیک به این دو (دمای داخل سیلندر و دمای هوای اطراف آن) منبع گرم و منبع سرد گفته می‌شود.

موتورهای گرمایی به این علت کار می‌کنند که گرما به طور طبیعی از نقاط گرم به نقاط سرد جریان می‌یابد. اگر منبع سردی وجود نداشته باشد که گرما بتواند به سمت آن جابجا شود جریان گرما نیز وجود نخواهد داشت و موتور هم کار نمی‌کند. با توجه به اینکه دمای منبع سرد همیشه بالای صفر مطلق است هیچ موتور گرمایی نمی‌تواند به بازده ۱۰۰ درصد برسد.

بنابراین موتورهایی که بهترین طراحی را دارند، دمای بخار (یا گاز دیگری) را به بالاترین حد ممکن می‌رساند و گاز خروجی را در پایین‌ترین دمای ممکن آزاد می‌کنند. مدرن‌ترین موتورهای بخار می‌توانند به بازدهی در حدود ۶۰ درصد برسند و بهترین موتورهای دیزل در اتومبیل‌ها نیز می‌توانند با بازدهی حدود ۵۰ درصد کار کنند. موتورهای احتراق داخلی بنزینی درصد بسیار بالاتری از انرژی سوخت‌شان را تلف می‌کنند.

ناکارآمدی ویژگی ذاتی هر سیستمی است که از انرژی استفاده می‌کند و می‌توان آن را به صورت ترمودینامیکی توصیف کرد. این انرژی تلف‌شده به این معنی است که در مجموع بی‌نظمی جهان یا به بیان دیگر انتروپی جهان در طول زمان رو به افزایش است اما در جایی سرانجام به حداکثر خود می‌رسد. در آن هنگام که در آینده‌ای بی‌نهایت دور خواهد بود، انرژی موجود در جهان به طور یکنواخت توزیع می‌شود و اساسا برای تمام اهداف ماکروسکپی بی‌مصرف خواهد شد. کیهان‌شناسان به این وضعیت می‌گویند «مرگ گرمایی» جهان، پیامد حتمی پیشروی توقف‌ناپذیر انتروپی.

Guardian, Dec. 01, 2013

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *