ذكرنا أن علم الترموديناميك نشأ في الأصل من الرغبة في تحسين الآلات الحرارية . فما يسمى بالقانون الأول في هذا العلم يقدم أساساً نظرياً لواقع أن الحرارة شكل من أشكال . الطاقة وهي ، ككل الطاقات الأخرى ، يمكن أن تتحول من شكل لآخر . فالآلة البخارية تركيب مدهش يحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية ، بينما السخان الكهربائي يحول الطاقة الكهربائية الى حرارة. إن الطاقة الكلية تنحفظ في كل التحويلات ، وما القانون الأول سوى تعبير عن هذا الواقع.

إن الحرارة تكمن في الجسم على شكل حركة جزيئية . والتسخين يسبب ازدياداً في الطاقة الحركية لجزيئات المادة ، فتصبح حركتها أسرع بالفعل . فجزيء الهواء في درجة حرارة الغرفة يتحرك بمئات الأمتار في الثانية . ينتج من ذلك أن وضع جسمين مختلفين في السخونة ، احدهما بتماس الآخر ، يجعل الجزيئات الأسرع في الجسم الأسخن تتنازل بالصدم عن قسط من طاقتها الحركية الى جزئيات الجسم الأبرد . فالحرارة تنتقل إذن من الأسخن الى الأبرد . وبعد فترة زمنية يصل الجسمان الى درجة حرارة واحدة تعم كل أجزائهما تقريباً ، فيقال عندئذ إنها بلغا حالة توازن حراري . ولو رصدناهما زمناً أطول لما لاحظنا أي انتقال حراري آخر (شرط أن تبقى الجملة معزولة عن أي منبع حراري إضافي) .

إن هذا المثال يوضح مبدأ عاماً ينص على أن الجملة المادية المتروكة لشأنها لا يحدث فيها أي انتقال للحرارة من سخونة ضعيفة الى سخونة أعلى . فسيل الحرارة التلقائي يتجه دوماً من الحار الى البارد . ويُعبر عن هذا الواقع أحياناً بالقول إن انتقال الحرارة لا عكوس . على أنه يمكن طبعاً ان تنعكس جهة هذا الانتقال وأن تعود الحرارة الى الجسم الأبرد إذا استخدمنا تركيباً مساعداً خارجياً عن الجملة . فالبراد المنزلي مثلاً يستخرج الحرارة من جوه الداخلي ليطرحها في الهواء الخارجي الأسخن . لكن ذلك لا يتم إلا بفضل آلية لا عكوسة تغذي هذه العملية بطاقة خارجية تتيح استمرار البراد في عمله.

إن الخبرة الشائعة بسريان الحرارة من الأجسام الحارة وانتشارها في الجو الأبرد المحيط هي شكل من أشكال التعبير عن القانون الثاني في الترموديناميك . إنه بوضوح قانون لا تناظري في الزمان لأنه يحول دون حدوث العملية المعاكسة، أي انتقال الحرارة من البارد الى الحار . ومنذ أن صيغ بعبارات سيلان الحرارة اتضح أن القانون الثاني أعم بكثير وأنه يفسر أنواعاً عديدة من الظواهر اللاعكوسة ، اللا تناظرية زمنياً .

شكل 3 - 2- قانون الترموديناميك الثاني. إن القانون الأول يجدد كمية الطاقة التي تأخذ شكلاً حرارياً ، أما القانون الثاني فيحدد مدى انتظامها. وقد عبر لورد كلفن Kahin (بريطاني ، 1824 - 1907) عن القانون الثاني بأنه يمنع انتقال الحرارة تلقائياً من الأبرد الى الأسخن . فالحرارة تصهر الجليد لكن الجليد لا يجعل الماء يغلي. فترتيب الحوادث الزمني يذهب دوماً من اليسار الى اليمين على الشكل . إن القانون الثاني أعظم عمومية ، وهو أحسن منظم معقول للنشاط الطبيعي المعروف .

ولتوسيع دائرة القانون الثاني ليشمل تشكيلات أخرى من العمليات اللاعكوسة لجأ الفيزيائيون الى اختراع مقدار جديد أسموه الانتروبية. والتعريف الدقيق للأنتروبية تعريف رياضي ، بيد أن بالامكان إعطاءها تفسيرات فيزيائية شتى . وربما كان أكثرها نفعاً هو اعتبار الانتروبية معياراً للفوضى . أي أن الجملة التي تتمتع ببنية عظيمة الترتيب تكون أنتروبيتها صغيرة . أما الجمل ذات الانتروبية العالية فهي جمل فوضوية مشوشة . فالجملة المؤلفة مثلاً من جسم بارد قريب من جسم حار ذات انتروبية أخفض بقليل من أنتروبية الجملة نفسها وهي في توازن حراري في درجة حرارة واحدة. وسبب ذلك أن المحتوى الحراري للجملة يكون أحسن ترتيباً عندما يتركز بمعظمه في الجسم الحار منه عندما يتوزع بالعدل على كل أجزاء الجملة. وبتعبير آخر ، يوجد بنية أكثر سمواً في الحالة الأولى .

إن كل ذلك يوحي بأن قانون الترموديناميك الثاني يمكن أن نلفظه على الشكل التالي : إن انتروبية الجملة المعزولة لا تتناقص أبداً. ومن الضروري أن نحصر هذا القول بالجمل المعزولة ، أي الجمل الموضوعة في وعاء مختوم لا تخترقه الحرارة . فمن الواضح أنه إذا أتيح للجمل الخارجية أن تتبادل حرارة مع الجملة المدروسة فإن الأنتروبية يمكن أن تتناقص ، وذلك ما يحدث مثلاً لدى استعمال مضخة حرارية تنقل الحرارة من البارد إلى الحار (كما في برادالمنزل ). لكننا لو دمجنا في جملة واحدة الجملة المدروسة مع المضخة مع تركيب التغذية بالطاقة..الخ ، فإن قانون الترموديناميك الثاني يقضي بأن تزداد الأنتروبية الكلية للجملة المدموجة (أو أن تبقى على قيمتها في أحسن الأحوال) . وقد لا نبالغ في تعميم هذا القانون إذا قلنا إن أنتروبية العالم الكوني لا يمكن أن تتناقص .

فباستخدام فكرة الأنتروبية نرى أن شرط التوازن الحراري يتحقق في بلوغ الأنتروبية العظمى . وكل تغير يطرأ على الجملة المعزولة يسعى الى زيادة أنتروبيتها . وعندما يتوطد التوازن في نهاية الأمر يتوقف التغير ويتوقف معه ازدياد الأنتروبية : لقد بلغت القيمة العظمي.

يمكن أيضاً أن نجد صلة بين الأنتروبية والمعلومية. إذا كانت الجملة في ظروف ترتيب عال فإن توصيفها يتطلب مقداراً كبيراً من المعلومات ، أو ، من وجهة نظر أخرى ، أن الجملة تحوي كمية من المعلومات. أما الجملة الفوضوية فتحوي معلومات قليلة وأوضح مثال على ذلك ترتيب الحروف في هذه الصفحة. فإذا كانت هذه الحروف مرصوفة بالترتيب الصحيح تكون المعلومات محتواة في الكلمات والجمل و .. الخ . أما الرصف المختلط الفوضوي لهذه الحروف فلا يقدم للقارى، معلومات تذكر . فالمعلومية تتحدد إذن بأنتروبية سالبة أو سالروبية كما يقال أحياناً). وعندما تزداد الأنتروبية يزداد خسران المعلومات . إن صياغة قانون الترموديناميك الثاني بلغة الأنتروبية تمتاز نفعاً بعموميتها . وعلى هذا سنلجأ مراراً ، في هذا الكتاب الى مثال توضيحي لا ينتمي البتة الى انتقال الحرارة . لتتأمل في غازين مختلفين ، نسميها A و B ، محصورين في وعاء يعزلهما تماماً عن العالم الخارجي . وهذا الوعاء المرسوم في الشكل 3 - 3 يتألف من صندوق مقسوم الى نصفين بحاجز في

شکل 3 - 3. قانون تزايد الأنتروبية. الغاز A يتمثل بنقط والغاز B بصلبان . عندما نخرج الحاجز من الصندوق يختلط الغازان. إن الحالة ( ) أحسن ترتيباً من الحالة (6) فهي إذن ذات أنتروبية أخفض ، كما يتطلب توصيفها معلومات أكثر يجب أن نعلم حالة المزيج في كل من جانبي الحاجز بدلا من انفصاله). إن تناقصاً تلقائياً للأنتروبية (أي تنظيماً ذاتياً للجملة) يقود إلى الحالة ( c) يبدو مستحيل الحدوث

وسطه . تحوي الحجرة اليسرى مزيجاً نسبة A فيه تساوي 90٪ و B 10 ٪. أما الحجرة اليمني فتحوي 90٪ من B و 10٪ من 8 . وفي لحظة ما نسحب الحاجز خارج الصندوق. وبعد فترة قصيرة تتغلغل جزيئات الغازين بعضاً في بعض، من جراء حركاتها العشوائية السريعة، حتى يحدث اتفاقاً أن يختلط الغازان ليشكلا مزيجاً شبه متجانس يحوي 50٪ من A و50٪ من B في كلا النصفين. واضح أن هذه الواقعة لا تناظرية زمنياً ، لأننا لا نتوقع أن يعود الغازان لينفصلا تلقائياً ، كلا في نصف على حده . فواقعة الاختلاط تذعن لقانون تزايد الأنتروبية (الفوضى ، لأن انتروبية الظرف الأولي ، عندما كان الغازان منفصلين ، أحسن ترتيباً (وتحوي معلومات أكثر من الحالة الفوضوية للخليط بعد إخراج الحاجز . إن التعميم المستخلص من هذا المثال ينص على المبدأ الطبيعي التالي : إن الانتظام ينزع الى إفساح الطريق نحو الفوضى .

إن هذا المبدأ معروف في خبرة بني البشر. فانجاز درجة عالية من النظام والبنية المرتبين أصعب بكثير من نشر الفوضى. وتحويل المنزل بالهدم الى ركام من الأحجار عملية سهلة ، لكن إعادة بنائه حجراً بعد حجر تحتاج الى جهد وعناية كبيرين . ويوجد جمل تظهر فيها البنية طبيعياً ، وقد تبدو لأول وهلة مناقضة لقانون الانتروبية . فالجمل البيولوجية تميل الى التطور نحو بنى أعقد ، والبلورات التي تتشكل في السوائل تنطوي على طبقات من الذرات أحسن تنظيما من ذرات السائل ، وهكذا . على أن فحص هذه الوقائع بامعان يكشف عن أن مجمل الأنتروبية للجملة وما يحيط بها يتزايد في كل الأحوال . فالنشاط البيولوجي مثلاً لا يستمر إلا بفضل تزايد انتروبية ضوء الشمس الذي يمد الحياة الأرضية بالغذاء الطاقي . ولو وضعت نبتة أو حيواناً في صندوق مغلق لقضيا نحبها بعد قليل انسجاماً مع المبدأ القائل بأن الانتظام يفسد بالانعزال ويتحول الى فوضى.

إن أول محاولة لتفسير كيف يفسح النظام الطريق إلى الفوضى قام بها لدفيغ بولتزمان LBoltzmann (نمساوي ، 1844 - 1906) عام 1866 . وعندما أدخلت فكرة الأنتروبية ، لأول مرة في الترموديناميك ، كانت النظرية الذرية للمادة في بداياتها . وكانت الأنتروبية قد صبغت عملياً لتناول كميات محسوسة ، كدرجة حرارة الغاز وضغطه وهو في حالة توازن . وعندئذ ، وفي حوالي منتصف القرن التاسع عشر ، حاول رودولف کلاوزیوس Clausius. ألماني ، (1822 - (1888) ومكسويل رد الفروق في حالات الغازات الى فروق في ترتيبات الجزئيات المكونة لها. وكان يفترض أن الجزيئات نفسها تتحرك كجسيمات صغيرة تطيع قوانين نيوتن في الميكانيك. وباجراء تحليل رياضي لآثار الحركات الجماعية لأعداد كبيرة من الجزيئات المتماثلة أمكن تفسير خصائص كدرجة حرارة الغاز وضغطه في حالة التوازن . وفي هذا المجال المجهري يتفسر ضغط الغاز بانضمام القوى الناجمة عن الصدمات الصغيرة التي تقوم بها الجزيئات المفردة عندما تنهمر على جدران الوعاء . أما درجة الحرارة فترجم عن سرعة حركة الجزيئات ، أي أن الغاز يصبح أسخن عندما تزداد سرعة طيران جزيئاته . أما المحتوى الحراري للغاز فهو مجموع الطاقات الحركية لكل هذه الجزيئات (وربما مع طاقة ذاتية داخلية تملكها هذه الجزيئات من جراء دورانها حول نفسها أو اهتزاز الذرات المكونة لها) .

عمم بولتزمان هذه المنظرية في حركة الجزيئات على الحالات اللامتوازنة محاولاً أن يصف رياضياً كيف تتطور الجملة بتلقاء ذاتها من حالة اختيارية بدئية الى حالة التوازن . إن هذا التطور الوحيد الاتجاه في الزمن يكمن في أعماق اللا تناظر الزمني للعالم الفيزيائي . ورغم أن بولتزمان قد اكتفى بدراسة خواص نموذج معين يمثل غازاً محصوراً في صندوق عازل ، إلا أن الدراسات التي تناولت نماذج أكثر تعقيداً لم تتكشف عن أي مبدأ أساسي جديد يختص باللا تناظر الزمني.

يوجد عموماً ، من أجل أية حالة محسوسة للغاز المحصور في الصندوق ، عدة أنساق مختلفة ، لتوزيع مواقع وسرعات الجزيئات ، تتلاءم كلها مع حالة الغاز . لكن بعض الحالات يمكن أن تتحقق بأنساق عددها أكبر مما يتعلق بسواها . إذ يوجد مثلا ، من أساليب التنسيق لجعل الغاز موزعاً بالتساوي في حجم الصندوق كله ، عدد أكبر مما يوجد عندما يكون الغاز كله محصوراً في منطقة صغيرة واحدة من الصندوق . كما أنه يوجد عدد قليل نسبياً من أساليب التنسيق التي تجعل كل الجزيئات تتحرك في اتجاه واحد . بينما عدد الأنساق التي تختص بحركات فوضوية كلها كبير جداً . وهكذا نرى أنه كلما تحسن انتظام الحالة قل عدد الأنساق المحققة لها. فالحالات ذات الأنتروبية العالية تحصل بأنساق أكثر عدداً  من تلك التي تتعلق بحالات ذات أنتروبية منخفضة . وفي هذه النظرية الحركية الجزيئات الغازات يوجد حالة واحدة تحصل بعدد من الأنساق يفوق كل عدد يختص بحالة سواها . إنها حالة الأنتروبية العظمى بفوضاها الكاملة . فالتوازن هو إذن الحالة التي يمكن أن تحصل بـ «أرجح احتمال إذا كانت الجزيئات موزعة عشوائياً .

إن جوهر أعمال بولتزمان بخصوص تطور الغاز نحو التوازن ، والمحتوى فيها أسماء النظرية H ناجم عن الجمع بين قوانين نيوتن في الميكانيك وبين فرضية تخص صفة العشوائية التي يختارها الغاز النموذجي لاعادة ترتيب نفسه.

 هذا وإن تغيرات الأنساق الجزيئية تحصل عندما تتصادم الجزيئات المفردة بعضاً ببعض. ومفعول هذه التصادمات يقوم بعملية خلط للتوزع المجهري للجزيئات . فاذا كان هذا الخلط يحدث بما يكفي من العشوائية فمن تحصيل الحاصل أن الغاز يمر من حالة ترتيب ما وأنتروبية منخفضة الى حالة التوازن الأكثر فوضوية. وهذا ناجم بالضبط عن كون الأنساق الفوضوية المجهرية أكثر بكثير عدداً من الأنساق المرتبة . وهذا يقابل في مستوى الذرة ، وبكل بساطة ، خبرتنا الشائعة في أن كداسة أوراق اللعب المرتبة بتوال معين تمر دوماً ، عندما تخلط عشوائياً ، الى توال عالي الفوضى. فحظ الخلط في أن يؤدي ، من كداسة أوراق اختيارية التوالي الى كداسة تتوالي فيها الأوراق ذات النقش الواحد توالي الأعداد الطبيعية ، هو حظ صغير لدرجة لا تصدق.

عندها تبنى بولتزمان فرضية تخص طبيعة التصادمات الجزيئية ، وتنص على أن حركات الجزيئات إزاء التصادم هي نفسها سواء حدثت التصادمات أم لم تحدث . وهذا يعني، بسبب أن الجزيئات لا تعلم أن تصادماً على وشك الحدوث ، أن حركاتها لا تتأثر الاصلة لها) به مسبقاً بحال من الأحوال . لكن الحركات بعد التصادمات تتعلق طبعاً بواقع

أن التصادم قد حدث. لقد أطلق بولتزمان على هذه الفرضية اسم فرضية الفوضى الجزيئية . إن الجسيمات المتحركة فوضوياً تخرب ماكان لها من نسق رتيب. ويتمثل انجاز بولتزمان بتقديم برهان رياضي محكم على هذا التوقع في نموذجه الغازي. وقد اكتشف في هذا البرهان مقداراً ، رمز له بـ H ، يتعلق بالنسق الذي تترتب الجزيئات وفقه. وتنص النظرية H على أن هذا المقدار لا يمكن إلا أن يزداد مع الزمن. ولدى فحص المقدار H عن كتب تبين أنه ينطبق على الأنتروبية . وبذلك كانت النظرية H تُعد تعبيراً ذرياً مباشراً عن قانون تزايد الأنتروبية. ويظهر أنها توجه الآلية التي بواسطتها تتصرف الجمل الترمودينامية بشكل لا تناظري في الزمن . لقد كان ذلك بلا ريب واحداً من أعظم الانجازات حقاً في تاريخ الفيزياء النظرية . والمزعج الوحيد هو أن النظرية لبولتزمان قد انتهكت في مفارقة أساسية وطاغية بقيت موضع أخذ ورد ، بشكل أو بآخر، في جدل استمر قرناً في الزمان بعدها.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

فرش حرم مرقد أبي الفضل العباس (عليه السلام) بأكثر من ألف متر مربع من السجاد الأحمر

خدمات دينية وثقافية يقدمها موكب أشبال الطف في شهر المحرم

قسم حفظ النظام يوضّح تفاصيل خطته الخاصة بالأيَّام العشرة الأولى من شهر المحرّم

المواكب العزائية الكربلائية تحيي اليوم الخامس من شهر المحرم الحرام

المزيد

الآخبار الصحية

لمن تجاوز الستين.. عليك بشرب 4 أكواب من القهوة يوميا ؟

الحليب مع العسل.. مزيج يمنحك 7 فوائد صحية

لا تبالغ في التنظيف.. قليل من "الاتساخ" قد يحمي عائلتك

دراسة تكشف علاقة خطيرة بين عمر الأم وصحة مولودها

المزيد

الآخبار التكنلوجية

هل هاتفك مراقب؟.. 5 علامات خطيرة تكشف التجسس عليك

دبي تطلق أول رحلة تجريبية للتاكسي الجوي

كيف تساعد الصيانة الوقائية في الحفاظ على كفاءة التكييف في سيارتك ؟

في ظاهرة غريبة حيرت العلماء.. كوكبنا قد يسجل أقصر يوم في التاريخ هذا الصيف!

المزيد

مواضيع ذات صلة

الاهتمامات البيئية العالمية "فيزياء الطاقة المستدامة: استجابة علمية للاهتمامات البيئية العالمية"

سلوك الغازات وخصائصها العامة

الديناميكا الحرارية الجزيئية

توزيع بولتزمان

العلاقات بين الخواص

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

الطاقة الحرة

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

القانون الأول للديناميكا الحرارية

Order and entropy

Irreversibility

The Clausius-Clapeyron equation