يحدث مرارًا أن تحضر قهوتك الساخنة وتسكبها في فنجانك الخاص آملًا بجلسة دافئة رفقة كتاب، فيلم أو حتى لإكمال عمل ما. مع مرور الوقت، تبدأ القهوة بفقدان سخونتها شيئًا فشيئًا حتى تصير باردة بالكامل وتفقد لذتها الأصلية.
دعني أحاول تبسيط الإشكالية أكثر بتغيير صيغة الطرح، لماذا لا تستطيع وضع فنجان قهوتك الباردة على الطاولة، تنتظر للحظات، وبعدها تستمتع بكوب رائع من القهوة الساخنة؟ نحن نفعل العكس دائمًا! فما الذي يفرض على الانتقال الحراري هذا المنحى المحدد؟ إذا كنت درست الفيزياء فأنت تعرف حتمًا أن الديناميكا الحرارية تحمل بين قوانينها الجواب المقنع!
(ملاحظة: للإجابة على السؤال يجب أن نُعرف بعض المصطلحات والمفاهيم والقوانين التي سنحتاجها فيما بعد).
في البداية، يجب أن نتحدث قليلًا عن علم الديناميكا الحرارية أو ما يصطلح عليه بالثرموديناميك Thermodynamics وهو فرع من الفيزياء يدرس انتقالات الطاقة بين الأنظمة وتحولاتها من نوع إلى آخر وكيف يؤثر ذلك على الأجسام والمواد. من بين أمثلة ذلك، انتقال الطاقة الحرارية الناتجة عن احتراق الوقود في محرك السيارات إلى طاقة ميكانيكية ضرورية لدوران العجلات.
لحظة! ما الذي نقصده بالأنظمة؟
حسنًا، النظام هو جزء مكون من طاقة ومادة ومحيط مرتبط. البحيرة مثلًا هي نظام مائي مكون من مادة وطاقة وله محيط يتمثل سواء في الهضبة أو التل المجاور. بنفس الطريقة يمكن أن نؤكد أن مجموعتنا الشمسية هي نظام فيزيائي أيضًا، مجرتنا هي الأخرى نظام جزئي في الكون برمته. ما يهم هنا هو أن تصنيف الأنظمة يتم حسب طبيعة ارتباطها مع محيطها. النظام المفتوح هو النظام القادر على تبادل الطاقة والمادة مع محيطه أما النظام المغلق فهو الذي لا يستطيع تبادل المادة مع ما يجاوره. فيما يظل النظام المعزول في منأى عن أي شكل من أشكال التبادل مع محيطه.
قدم علم الديناميكا الحرارية إجابات مقنعة للعديد من الأسئلة التي طرحها العلماء فيما يخص الطاقة الإجمالية للكون بالإضافة للمنحى الأصلي لوقوع بعض التفاعلات والأحداث بل وحتى توقع السيناريوهات المحتملة لنهاية الكون. هذه الإجابات تم استنباطها من أربعة قوانين شاملة تسمى بقوانين الديناميكا الحرارية (يشتهر بينها القانون الأول والثاني للثرموديناميك).
ما هي قوانين الديناميكا الحرارية؟
ينص القانون الأول للثرموديناميك على انحفاظ الطاقة في جميع الأنظمة. لفهم هذا القانون، دعنا نتخيل ببساطة أنك أسقطت شيئًا ثقيلًا (سنطلق عليه حرف A) على أرض هشة. من المؤكد أن حركة الجسم A ستمنحه طاقة يستمر بامتلاكها طيلة مساره. لكن بمجرد توقفه عن الحركة، يمكن أن نفترض أن الجسم A لم يعد يمتلك أي طاقة. هل يعني هذا أن الطاقة قد انعدمت؟ لا بالتأكيد، كل ما حصل هو أن الطاقة تحولت إلى شكل آخر مكسرة الطبقة الهشة للأرض بعد سقوط الجسم A عليها. يُستغل هذا القانون في عدة مسائل مرتبطة بالانتقالات الحرارية مثلًا فهو المسئول عن تحرك سيارتك بسبب تحول الطاقة الحرارية للاحتراق إلى طاقة ميكانيكية كما ذُكر سابقًا.
يشرح القانون الأول فكرة انحفاظ الطاقة لكنه لا يستطيع التنبؤ بمسار التحولات أو احتمالية حدوثها. على الطرف الآخر، استطاع القانون الثاني أن يكمل هذا النقص من خلال طرحه لمفهوم فيزيائي جديد يسمى الإنتروبيا Entropy أو العشوائية. حساب قيمة تغير إنتروبيا نظام ما تعطينا فكرة عن مستقبل هذا النظام ومنحى تحولاته. في حالة الأنظمة المغلقة، يكون التغير الجزئي للعشوائية دائمًا موجبًا مما يثبت تزايد الإنتروبيا في هذه الحالة. قام العلماء بإسقاط هذه النتيجة على كوننا باعتباره نظامًا معزولًا ليؤكدوا حسابيًا أن العشوائية في كوننا لا يمكن إلا أن تتزايد.
قام كلاوزيوس بتبسيط نص القانون الثاني للديناميكا الحرارية في جملة واحدة:
أي عملية تلقائية، إما أن تساعد في زيادة الإنتروبيا أو تحافظ على ثبات قيمتها.
من بين المعلومات التي سنحتاجها في ما تبقى من المقال هي العلاقة بين العشوائية (أو الإنتروبيا) وبين كمية الحرارة المنتقلة للنظام. كلما ازدادت برودة الجسم يزداد انتظامه، وبالتالي ستصبح الإنتروبيا التي ستسببها إضافة كمية حرارة معينة أكبر مما كانت عليه. لنفهم هذا، سنأخذ مثالًا بسيطًا:
إن زيادة الإنتروبيا التي يتسبب بها انتقال الحرارة إلى الجليد أكبر من تلك التي يتسبب بها انتقال الحرارة للبخار. وبالتالي، فإن الانتقال الذي ستنتج عنه أكبر زيادة للإنتروبيا هو انتقال الحرارة إلى الجسم الأكثر برودة.
نريد الجواب الآن!
من الواضح أنني أطلت الحديث قبل الوصول إلى هذا الجزء المنتظر، أنت لم تضيع وقتك لأن كل ما سبق أساسي لفهم جواب العلم على إشكاليتنا المطروحة. يفرض القانون الثاني للديناميكا الحرارية على الانتقالات والتحولات الحرارية التلقائية أن تساهم في زيادة الإنتروبيا، لهذا فإن أغلبها يقبل منحى واحدًا للانتقال أو التحول (تحولات غير عكسية).
عندما يوضع جسمان (نظامان) أحدهما ساخن والآخر بارد في حالة اتصال حراري (في مثالنا، القهوة تمثل الجسم الساخن في البداية، والهواء المحيط بها يمثل الجسم البارد)، تتدفق الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم البارد حتى يصلا إلى حالة من التوازن الحراري، وانتقال الحرارة من الساخن إلى البارد ضروري للحصول على زيادة في قيمة الإنتروبيا.
خلاصة
تلقائيًا، لا يُمكن للقهوة أن تزداد سخونةً مع مرور الوقت لأن هذا يُنقص من إنتروبيا النظام (وهذا محظور حسب القانون الثاني للديناميكا الحرارية). وللسماح بذلك، يجب أن نستعمل آلة تنجز شغلًا Work، أي أننا نحتاج لوضع القهوة في مسخن كهربائي أو مضخة حرارية تستطيع أن تعكس منحى التحول التلقائي لنستمتع بقهوتنا اللذيذة مرة أخرى!
The post لماذا لا تزداد سخونة قهوتك تلقائيًا بدل انخفاضها؟ العلم يجيب appeared first on ساسة بوست.
لتضمن أن تصلك جديد مقالات ثقفني اون لاين عليك القيام بثلاث خطوات : قم بالإشتراك فى صفحتنا فى الفيس بوك "ثقفني اون لاين " . قم بالإشتراك فى القائمة البريدية أسفل الموقع وسيتم إرسال إيميل لك فور نشر درس جديد . للحصول على الدروس فيديو قم بالإشتراك فى قناتنا على اليوتيوب "قناة تقنية اون لاين " . من فضلك إذا كان عندك سؤال مهما كان بسيطاً تفضل بكتابته من خلال صندوق التعليقات أسفل الموضوع . قم بنشر مقالات ثقفني اون لاين على الفيس بوك أو ضع رابطاً للمدونه فى مدونتك .تحياتى لكم لك from ساسة بوست
