تطبيقات القانون الثالث للديناميكا الحرارية في المجالات العلمية والصناعية

الديناميكا الحرارية

تعتبر الديناميكا الحرارية أحد فروع العلم التي تركز على دراسة حركة الحرارة وتأثيراتها. فهي تفسر العديد من الظواهر مثل كيفية انتقال الحرارة أثناء عمليات الانصهار والغليان، بالإضافة إلى مفهوم درجة الحرارة، وما إذا كانت الحرارة تنتقل من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة. يحتوي هذا المجال على مجموعة من القوانين الهامة، وسنركز في هذا المقال على القانون الثالث للديناميكا الحرارية.

مضمون القانون الثالث للديناميكا الحرارية

ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن الإنتروبيا (Entropy) التي ترمز بالرمز “S” لبلورة نقية عند الصفر المطلق تساوي صفرًا تمامًا. يُعرف الصفر المطلق على أنه درجة الحرارة التي تتوقف عندها حركة الجسيمات تقريبًا، حيث اكتشف العلماء أن أقل درجة حرارة ممكنة تصل إلى 273.15 درجة مئوية. في هذا السياق، يُظهر الصفر المطلق ظواهر معينة في نظام مغلق، مثل عدم احتواء النظام على أي حرارة، حيث تكون جميع الذرات والجزيئات في النظام عند أدنى مستوى لطاقة حركتها.

الصفر المطلق بالكلفن

بينما يناقش معظم الناس حول العالم درجات الحرارة باستخدام المقياس المئوي، فإن بعض الدول تعتمد مقياس فهرنهايت. من جهة أخرى، يعتمد العلماء بشكل رئيسي على مقياس كلفن كوحدة أساسية لقياس درجات الحرارة المطلقة. يُعتبر الصفر المطلق في هذا المقياس هو النقطة التي تتوقف عندها جميع الحركات الجزيئية؛ مما يعني أنه لا توجد حرارة عندما يصل النظام إلى درجة حرارة صفر كلفن.

يجدر بالذكر أن هناك فارقًا مهمًا بين الصفر المطلق ونقطة التجمد. فعند الصفر المئوي، لا تزال جزيئات الجليد تمتلك حركات داخلية صغيرة تُعرف أيضًا بالحرارة. من ناحية أخرى، تؤدي التغيرات في الحالة بين المواد الصلبة والسائلة والغازية إلى تغييرات ملحوظة في الإنتروبيا، حيث تزداد أو تتناقص احتمالات التنظيم الجزيئي مع تغير درجة الحرارة.

تطبيقات القانون الثالث للديناميكا الحرارية

أحد التطبيقات الرئيسية للقانون الثالث للديناميكا الحرارية هو القدرة على حساب الإنتروبيا المطلقة لمادة معينة عند أي درجة حرارة “T”. تعتمد هذه الحسابات على قياسات السعة الحرارية للمادة الصلبة، فإذا افترضنا أن S0 تمثل الإنتروبيا عند الصفر المطلق، و S تمثل الإنتروبيا عند درجة الحرارة بالكلفن، يمكن التعبير عن ذلك بالصيغة التالية:

ΔS = S – S0 = ∫ (CPdT/T)

وفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية، فإن S0 يساوي صفر عند درجة حرارة صفر كلفن، وبالتالي يمكن التعبير عن الإنتروبيا كما يلي:

S = ∫ (CP/T) dT

يمكن بعد ذلك رسم العلاقة بين Cp/T وT، ومن ثم حساب مساحة المنحنى من 0 إلى T، حيث تعبر الصيغة المبسطة للإنتروبيا المطلقة لمادة صلبة عند درجة حرارة T عن نفسها كما يلي:

S = ∫ (CP/T) dT = ∫ CP d ln T

S = CP ln T = 2.303 CP log T

حيث أن Cp تمثل السعة الحرارية للمادة عند ضغط ثابت، ويفترض أن تبقى هذه القيمة ثابتة ضمن نطاق درجات الحرارة من 0 إلى القيمة المحددة بالكلفن.