استخدامات القانون الثالث في الديناميكا الحرارية

مقدمة في الديناميكا الحرارية

تُعد الديناميكا الحرارية فرعًا هامًا من فروع علم الفيزياء، وهي معنية بدراسة الطاقة الحرارية وتحولاتها المختلفة. تهتم هذه الدراسة بفهم كيفية انتقال الحرارة، سواء خلال عمليات الانصهار أو الغليان، بالإضافة إلى تحديد مفهوم درجة الحرارة والعلاقة بين درجات الحرارة المختلفة. تساعد الديناميكا الحرارية في تحديد اتجاه تدفق الحرارة بين الأجسام، سواء كانت باردة أو ساخنة. ولهذا العلم قوانين متعددة، وسوف نركز في هذا المقال على القانون الثالث للديناميكا الحرارية.

شرح القانون الثالث للديناميكا الحرارية

ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن الاعتلاج (أو الإنتروبيا) لبلورة نقية تمامًا يقترب من الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق. بمعنى آخر، عند درجة حرارة الصفر المطلق، يصبح النظام في حالة من الكمال التام من حيث الترتيب. من المهم فهم مفهوم الصفر المطلق، وهو أدنى درجة حرارة ممكنة نظريًا، حيث تتوقف حركة الجزيئات بشكل كامل تقريبًا. وقد أثبتت التجارب أن هذه الدرجة تعادل -273.15 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، يمكن ملاحظة بعض الظواهر المميزة، مثل انعدام الطاقة الحرارية ووصول الجزيئات إلى أدنى مستويات الطاقة.

هذا القانون يوضح حالة خاصة للمادة عند الوصول الي اقصي درجات البرودة.

الصفر المطلق بوحدة كلفن

على الرغم من أن معظم الناس يستخدمون الدرجات المئوية في حياتهم اليومية، وتستخدم بعض الدول مقياس فهرنهايت، إلا أن العلماء يفضلون استخدام مقياس كلفن كوحدة قياس أساسية لدرجة الحرارة المطلقة. يعتمد مقياس كلفن على أساس فيزيائي، حيث يعتبر الصفر المطلق (0 كلفن) هو النقطة التي تتوقف عندها حركة الجزيئات تمامًا. الحرارة هي في الأساس حركة جزيئية، وبالتالي فإن انعدام الحركة يعني انعدام الحرارة، وبالتالي الوصول إلى درجة حرارة الصفر كلفن.

من المهم التمييز بين الصفر المطلق ونقطة التجمد. عند درجة الصفر المئوي، تظل هناك حركة داخلية صغيرة للجزيئات في الجليد، وهي ما تعرف بالحرارة. التغيرات في الحالة بين المواد الصلبة والسائلة والغازية تؤدي إلى تغييرات كبيرة في الإنتروبيا، حيث تزداد أو تنقص احتمالات التنظيم الجزيئي بشكل كبير مع اختلاف درجة الحرارة.

استخدامات القانون الثالث للديناميكا الحرارية

أحد الاستخدامات الأساسية للقانون الثالث للديناميكا الحرارية هو المساعدة في حساب الاعتلاج المطلق للمادة عند أي درجة حرارة معينة (T). تعتمد هذه الحسابات على قياسات السعة الحرارية للمادة الصلبة. إذا افترضنا أن S₀ هي الإنتروبيا عند الصفر المطلق، و S هي الإنتروبيا عند درجة الحرارة T بالكلفن، فإن العلاقة بينهما تعطى بالتكامل التالي:

ΔS = S – S₀= ʃ CPdT/T

وفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية، S₀ = صفر عند درجة حرارة الصفر كلفن. لذا، يمكن تبسيط المعادلة إلى:

S = ʃ (CP/T) dT

يمكن الحصول على قيمة هذا التكامل عن طريق رسم منحنى العلاقة بين Cp/T و T، ثم حساب المساحة تحت هذا المنحنى من 0 إلى T. وبالتالي، فإن التعبير المبسط عن الإنتروبيا المطلقة لمادة صلبة عند درجة حرارة T هو:

S = ʃ (CP/T) dT= ʃ CPd lnT

S = CPln T = 2.303 CPlog T

حيث Cp هي السعة الحرارية للمادة عند ضغط ثابت، ويفترض أن تكون هذه القيمة ثابتة في النطاق من 0 إلى قيمة درجة الحرارة بالكلفن.