شيمي علمي براي زندگي امروز

اگر كار مثبت باشد، انرژي جسم (يا ذره ) افزايش مي يابد كه در اين صورت نيرو به انرژي تبديل شده است. اگر كار انجام شده روي جسم منفي باشد، يعني جسم انرژي از دست بدهد، انرژي به نيرو تبديل مي شود. آگر كار انجام شده برابر با صفر باشد، هيچ تغييري در انرژي جسم ايجاد نمي شود.

بنابراين هنگاميكه الكترون در ساختمان اتم روي مداري خاص به دور هسته مي گردد، هرچند داراي شتاب است اما كار انجام شده روي آن صفر است و تغييري در انرژي آن ايجاد نمي شود. اما هنگاميكه الكترون شتاب بگيرد، بطوريكه كار انجام شده روي آن صفر نباشد، امواج الكترومغناطيسي تابش مي كند. يعني تابش امواج الكترومغناطيسي توسط ذره ي باردار تابع كاري است كه روي آن انجام مي شود. در اين بحث هنوز دو نكته مشخص نشده است، يكي اينكه اصولاً چگونه تابش امواج الكترومغناطيسي توسط ذره ي باردار شتاب دار قابل توضيح است؟ و ديگر اينكه چرا هنوز تابش ذره ي باردار در ميدان گرانشي (آنچنان كه نسبيت پيش گويي كرده) با تجربه ثابت نشده است؟

طبق نظريه ي سي. پي. اچ. هرگاه يك ذره ي باردار حركت كند، گرانش در مقابل اين حركت مقاومت مي كند و مقاومت گرانش با حركت ذره ي باردار به صورت نيروي مغناطيسي ظاهر مي شود. اما اگر ذره ي باردار علاوه بر سرعت، شتاب نيز داشته باشد بطوريكه كار انجام شده روي آن مخالف صفر باشد، امواج الكترومغناطيسي تابش مي كند. در ساختمان اتم جون كار انجام شده روي الكترون صفر است ، لذا تا زمانيكه در يك مدار خاص حركت مي كند، انرژي تابش نمي كند.

بنابراين تابش امواج الكترومغناطيسي يك بار شتاب دار تابع مقدار كاري است كه روي آن انجام مي شود .

كاري كه نيروي گرانش روي ذره ي باردار انجام مي دهد بسيار ناچيز است و آشكار سازي آن به ابزار بسيار دقيقي نياز دارد.

نمايي ساده از اتمها در يك سيستم

در شكل بالا نمايي ساده از اتمهاي موجود در سيستم نشان داده شده است. اتمها در مجاورت هم حالت دوقطبي الكتريكي دارند، زيرا بار هاي منفي يكديگر را دفع مي كنند و الكترونها به يك سمت و هسته بسمت ديگر رانده مي شود. اما به علت حركت اتمها (يا مولكولها)، حالت الكتريكي اتمها ثابت نمي ماند و دائماً تغيير مي كند، اين تغييرات كه ناشي از اعمال نيروي خارجي است، روي ذرات بار دار اتم كار انجام مي دهد و موجب شتاب گرفتن آنها مي شود. ذره ي باردار شتاب دار، انرژي الكترومغناطيسي تابش مي كند. تابش انرژي گرمايي موجب از دست دادن انرژي دروني سيستم مي شود و سيستم بتدريج سرد مي شود. فركانس تابش تابع دماي سيستم است (شكل زير). 

با افزايش دماي سيستم، فركانس تابش نيز افزايش مي يابد.

در شكل بالا نشان داده شده كه چگونه با افزايش دماي سيستم فركانس تابش از قرمز بسمت زرد، سبز، آبي و سر انجام به ماوراي بنفش جابجا مي شود. اجسام در دماي معمولي تابشي با طول موجهاي بلند دارند، با افزايش دما رنگ (طول موج) تابش تغيير مي كند، اما تابش هاي قبلي را نيز با شدت كمتري ادامه مي دهد. حال اگر فرمول وين و بيشترين تابش را مرور كنيم (شكل زير)، بخوبي همه تابش ها را مي توان توضيح داد.

در ميان همه تابشهايي كه جسم گسيل مي كند، شدت بيشترين تابش آن تابع دماي آن است

كار انجام شده توسط سيستم روي خودش

سيستمي را در نظر بگيريد كه داراي دماي T است. بنابر آنچه كه در بخش قبل گفته شد، ذرات درون سيستم روي يكديگر كار انجام مي دهند و موجب تابش گرمايي مي شوند. بنابراين مي توان يك تابع كار دورني براي سيستم تعريف كرد كه تابع دماي سيستم است. هرچه دماي سيستم بالاتر باشد، كار بيشري انجام مي شود. اما كار انجام شده توسط سيستم روي خودش منفي است، زيرا بر اثر اين كار، سيستم گرما منتشر مي كند و از دماي آن دائماً كاسته مي شود. در هر صورت تابع كار بصورت زير است:

W=W(T)<0

چون كار انجام شده روي سيستم منفي است، بنابراين انرژي دروني سيستم دائماً كاهش مي يابد. از طرف ديگر هرچه كار بيشتري توسط سيستم روي خودش انجام شود، دما بيشتر كاهش مي يابد. بنابراين توان هر سيستمي با گذشت زمان كاهش مي يابد. اگر توان سيستم را با p نشان دهيم مي توان براي هر سيستم اختياري بصورت زير تعريف كرد:

تابع توان سيستم

كه در آن dp/dt تغييرات توان سيستم نسبت به زمان و k جمع جبري تعداد سي. پي. اچ. هاي خروجي و ورودي به سيستم در واحد زمان است. يعني:

k=k₁-k₂

كه در آن k₁ تعداد سي. پي. اچ. هاي خروجي و k₂ تعداد سي. پي. اچ. هاي ورودي به سيستم است. اگر k>0 باشد، توان كاهش مي يابد، زيرا تعداد سي. پي. اج. هاي خروجي بيشتر از تعداد ورودي است و سيستم در حال سرد شدن است مانند تابه اي كه از روي اجاق برداشته شود. اگر k<0 باشد، توان سيستم رو به افزايش است مانند گاز در حال گرم شدن.

براي دو سيستم كه در حال تبادل گرمايي هستند نيز مي توان از همين رابطه استفاده كرد. براي اين دو سيستم مي توان گفت هرگاه k=0 باشد، دو سيستم در حال تعادل گرمايي هستند. براي يك سيستم منزوي همواره داريم: p₂1  زيرا هر سيستم منزوي فقط تابش مي كند و توان آن كاهش مي يابد.

در طبيعت هيچ سيستم منزوي واقعي وجود ندارد، زيرا خود كيهان داراي تابشي است كه  تابش زمينه ي كيهان ناميده مي شود. اين تابش دمايي در حدود 70/2 درجه كلوين حرارت دارد. بنابراين حتي اتمها و مولكولهاي پراكنده در كيهان نيز از فضا انرژي دريافت مي كنند و به حالت پايه نمي رسند. 

مخازن انرژي و ابزارها

سه سيستم A و B و C را در نظر بگيريد كه كه در آن A و C مخازن انرژي هستند و B ابزار (ماشين) كه انرژي را بكار تبديل مي كند. بعنوان مثال فرض كنيم مخزن A انرژي الكتريكي (برق) است كه توسط يك سيسم هاي انتقال وارد كارحانه مي شود. و B ماشين آلاتي است كه انرژي الكتريكي را بكار تبديل مي كند و C جريان آب (يا هوا) است كه ماشينها را خنك مي كند و گرم مي شود و سپس انرژي آن براي بكار انداختن ماشين ديگري بكار مي رود (شكل زير). 

 يك سيستم با انرژي بالاتر در يك محيط واقعي

فرض كنيم مخزن A شامل كنتور برق و سيمهاي انتقال است تا انرژي را به ماشين برساند. اين مخزن يك سيستم واقعي با توان منفي است، زيرا روي خودش كار كار منفي (هرچند ناچيز) انجام مي دهد. انرژي E₁ وارد ماشين آلات مي شود. ماشين آلات نيز يك سيستم واقعي است و روي خودش كار منفي انجام مي دهد. بهمين ترتيب مخزن C نيز يك سيستم واقعي است و روي خودش كار منفي انجام مي دهد. بهمين دليل هر كدام از سيستمهاي A, B, C كه از بيرون تغذيه نشوند، بمرور توانش تحليل مي رود و توانايي انجام هيچ كاري را نخواهد داشت. انرژي تلف شده به محيط (محيط كارخانه) منتقل مي شود.

نظريه سي. پي. اچ. و قوانين ترموديناميك

در اينجا قوانين ترموديناميك را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي مي كنيم. در نظريه سي. پي. قوانين ترموديناميك و انتروپي با توجه به دستاوردهاي فيزيك مدرن بطريقي بيان مي شود كه قانون بعدي مكمل قانون قبلي باشد:

قانون اول ترموديناميك (ديدگاه كلاسيك)

قانون اول ترموديناميك از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ.

هر سيستمي روي خودش كار منفي انجام مي دهد كه مقدار آن برابر است با تابش ذاتي سيستم. براي ثابت ماندن انرژي دروني يك سيستم بايد به سيستم انرژي داده شود، مقدار انرژي لازم براي ثابت نگاه داشتن انرژي دروني سيستم برابر است با كار منفي كه سيستم روي خودش انجام مي دهد. به عبارت ديگر اگر سيستم با توان p روي خودش كار انجام دهد، يعني با توان P تابش كند، براي ثابت نگاه داشتن انرژي دروني سيستم بايد به همين ميزان به سيستم انرژي داده شود.

قانون دوم ترموديناميك (ديدگاه كلاسيك)

ويا: هيچ فرآيندي كه تنها نتيجه آن جذب گرما از يك منبع و تبديل گرما به كار باشد، امكان پذير نيست. به بيان ديگر مي‌توان گفت كه امكان ندارد كه تنها اثر يك ماشين چرخه‌اي آن باشد كه بطور مداوم آزمايشهاي مربوط به گرما را از جسمي به جسم ديگر با دماي بالا منتقل كند.

قانون دوم ترموديناميك از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بعبارت ديگر، اگر به يك فرايند كه انرژي را بكار تبديل مي كند با با توان p₁ انرژي دارده شود، بازدهي فرايند برابر p₂ خواهد بود كه از رابطه ي زير به دست مي آيد:

هر فرايندي كه انرژي را به كار تبديل مي كند، داراي توان منفي p است كه برابر است با كاري كه فرايند روي خودش انجام مي دهد كه موجب تابش مي شود. بنابراين هيچ ماشين آرماني كه بتواند همه ي انرژي دريافتي را بكار تبديل كند وجود ندارد.

p₂=p₁-p

از آنجاييكه هر سيستمي با توان p>0 روي خودش كار منفي انجام مي دهد، بنابراين همواره  P₂1

حسين جوادي

قانون سوم ترموديناميك از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ.

هر سيستمي با توان p روي خودش كار منفي انجام مي دهد، طي هيچ فرايند فيزيكي وجو ندارد كه بتوان p يك سيستم را صفر كرد.