الديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية هي دراسة حركة الحرارة، حيث أنه يفسر كل شيء تقريبًا من كيفية انتقال الحرارة أثناء الانصهار والغليان ، إلى ما تعنيه درجة الحرارة، وما إذا كانت الحرارة تتدفق بين الأماكن الباردة والساخنة، كما أنّ للديناميكا الحرارية قوانين مختلفة، ولكننا في هذا المقال سنتطرق بالحديث تحديدًا عن القانون الثالث للديناميكا الحرارية.
نص القانون الثالث للديناميكا الحرارية
ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنّ القصور الحراري أو الإنتروبيا (بالإنجليزيّة: entropy) ويرمز له بالحرف "S" لبلورة نقية عند الصفر المطلق تساوي تمامًا صفرًا، ومن الجدير بالذكر تعريف معنى الصفر المطلق وهو درجة الحرارة التي تتوقف عندها تقريبًا حركة الجسميات، واكتشف العلماء أنّ أقل درجة حرارة ممكنة تساوي 273.15 درجة سلسيوس، وفي الواقع إنّ عند الصفر المطلق يمكن ملاحظة الظواهر التالية في نظام مغلق، وهي أنّ النظام لا يحتوي على أي حرارة، وجميع الذرات والجزيئات في النظام عند أدنى نقاط لطاقتها.
الصفر المطلق بالكلفن
يناقش معظم الناس حول العالم درجة الحرارة بالدرجات المئوية، بينما يستخدم عدد قليل من البلدان مقياس فهرنهايت ، ومع ذلك فإنّ العلماء غالبًا ما يستخدمون كلفن كوحدة أساسية لقياس درجة الحرارة المطلقة، وقدْ تمّ بناء هذا المقياس على أساس فيزيائي معين حيث يكون الصفر المطلق كلفن هو درجة الحرارة التي تتوقف عندها جميع الحركات الجزيئية، ونظرًا لأنّ الحرارة هي حركة جزيئية، فلا تعني الحركة عدم وجود حرارة، ولكن عدم وجود الحرارة يعني أنّ درجة الحرارة صفر كلفن.
من الجدير بالذكر أنّه يجب ملاحظة اختلاف الصفر المطلق عن نقطة التجمد، حيث أنّ الصفر درجة مئوية عندها لا تزال جزيئات الجليد لها حركات داخلية صغيرة مرتبطة بها، والمعروفة أيضًا باسم الحرارة، ومع ذلك فإن تغيرات الحالة بين المواد الصلبة والسائلة والغازية تؤدي إلى تغييرات هائلة في الإنتروبيا حيث إن احتمالات التنظيم الجزيئي المختلف أو الحالات الدقيقة لمادة ما تزداد فجأة أو تنقص مع اختلاف درجة الحرارة.
تطبيقات القانون الثالث للديناميكا الحرارية
أحد التطبيقات المهمة للقانون الثالث للديناميكا الحرارية هو أنّه يساعد في حساب الأنتروبيا المطلقة للمادة عند أي درجة حرارة "T"، وتستند هذه التحديدات إلى قياسات السعة الحرارية للمادة الصلبة، إذا افترضنا أن S0 هي الإنتروبيا عند صفر المطلق، و S هي الأنتروبيا عند درجة الحرارة بالكلفن في التكامل المحدود من (0-T):
ΔS = S – S0 = ʃ CPdT/T
وفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية، فإنّ S0= صفر، عند درجة حرارة صفر كلفن، في التكامل المحدود من (0-T):
S = ʃ (CP/T) dT
وبالتالي يمكن الحصول على قيمة هذا التكامل من خلال رسم الرسم البياني لـ Cp / T مقابل T، ثمّ إيجاد مساحة هذا المنحنى من 0 إلى T، وبالتالي يكون التعبير المبسط عن الإنتروبيا المطلقة لمادة صلبة عند درجة حرارة T في التكامل المحدود من (0-T) كما يلي:
S = ʃ (CP/T) dT= ʃ CPd lnT
S = CP ln T = 2.303 CP log T
هنا Cp هي السعة الحرارية للمادة عند ضغط ثابت ويفترض أن تكون هذه القيمة ثابتة في النطاق من 0 إلى قيمة درجة حرارة بالكلفن.
