ذكرنا سابقاً أنّ القانون الثّالث في الثّرموديناميك ينص على أنّ أنتروبي البلورة النّقيّة تساوي الصّفر عندما تكون درجة حرارتها صفر مطلق (أيّ صفر كلفن).

في مقالنا هذا، سوف نتحدث بإيجاز عن مفهوم هذا القانون..

يهتمُ القانون الثّالث في الثرموديناميك بسلوك النّظام عندما تقترب درجة حرارته من الصّفر المطلق

وهو يتعلقُ بالحرارة والأنتروبي عند أدنى درجة حرارة نهائيّة للبلورة (البلورة هي مادة صلبة مكونة من ذرات مرتبة في نمط محدد ومتماثل).

وفقاً لجامعة Purdue يجبُ أن تكون البلورة مثالية؛ وإلّا سيكون هناك بعض الاضطراب، كما ويجبُ أن تكون عند الصّفر المطلق؛ وإلّا ستكون هناك حركة تؤدي إلى الحرارة، وبالتالي إلى الفوضى.

قال الدكتور سيبال ميترا وهو أستاذ للفيزياء في جامعة ولاية ميسوري الأمريكية:

“تنصُ أحد نسخ القانون الثّالث للثرموديناميك على أنّه يتطلبُ عدداً لا حصر لها من الخطوات من أجل الوصول إلى الصّفر المطلق، وهذا يعني أنّه لا يمكن الوصول إليه أبداً..

فإذا تمّ الوصول إلى الصّفر المطلق، فهذا يعني أنّ القانون الثّاني للثرموديناميك قد انتهك

والذي ينص على أنه لا يمكن نقل الطّاقة الحراريّة من جسم عند درجة حرارة منخفضة إلى جسم عند درجة حرارة أعلى دون صرف طاقة

ويمكن بذلك تصنيع آلة بفعالية 100%”.

من النّاحية النّظريّة، من الممكن بناء بلورة مثاليّة مكونة من ذرات متطابقة، إلّا أنّه من المستحيل تحقيق درجة الصّفر المطلق..

لذلك تحتوي كلّ مادة على بعض الأنتروبي بسبب وجود طاقة حراريّة.

تاريخ القانون الثّالث في الدّيناميكا الحراريّة

صاغَ الكيميائي والفيزيائي الألماني والثر نيرنست القانون الثّالث للديناميكا الحراريّة لأوّل مرة في عام 1906م.

ومن كتابه “Survey of Thermodynamics” اقتبس مارتن بيلين بيان للقانون الثّالث على أنّه من المستحيل لأيّ إجراء أن يؤدي إلى T=0 في عدد محدد من الخطوات.

ويمكن تشبيه استحالة الوصول إلى الصّفر المطلق باستحالة تجاوز سرعة الضّوء.

إذ أظهرت الدّراسات النّظريّة والتّجارب أنه يمكن زيادة سرعة جسم ما، إلا أنّه من غير الممكن الوصول إلى سرعة الضّوء.

وبالمثل، وبغض النّظر عن درجة برودة النّظام، يمكن دائماً تبريد النّظام بتقليل درجة حرارته، لكن لا يمكن أبداً أن يصل إلى الصّفر المطلق.

كتبت الكاتبة البريطانية آن روني في كتابها The Story of Physics:

“إنّ القانون الثّالث للديناميكا الحراريّة يتطلبُ مفهوم الحد الأدنى لدرجة الحرارة الّتي لا يمكن الانخفاض دونها- المعروف باسم الصّفر المطلق”.

وتابعت: “إنّ أوّل من ناقش مفهوم الحد الأدنى لدرجة الحرارة الممكنة هو روبرت بويل في عام 1665م في كتابه “”New Experiments and Observations Touching Cold.

ويعتقد أنّ الصّفر المطلق تمّ حسابه لأوّل مرة في عام 1779م بواسطة يوهان هاينريش لامبرت، واعتمدَ في حسابه هذا على العلاقة الخطيّة بين ضغط ودرجة حرارة الغاز.

فعند تسخين الغاز في مكان مغلق، سوف يزدادُ ضغطه وذلك لأن درجة حرارة الغاز هي مقياس لمتوسط ​​سرعة الجزيئات في الغاز

وكلما زادت سخونة الغاز، زادت سرعة الجزيئات، وزاد الضّغط الّذي تمارسه عندما تصطدم بجدران الحاوية.

لذلك كان من المنطقي بالنسبة له الافتراض بأنه إذا وصلت حرارة الغاز إلى الصّفر المطلق؛ ستتوقفُ جزيئاته عن الحركة، ما يعني أنها لن تشكل أيّ ضغط على جدار الحاوية.

إذا رسمنا العلاقة بين حرارة الغاز وضغطه بشكل منحني بياني، ويعبر المحور الأفقي X  عن الحرارة والمحور الشّاقولي Y عن الضّغط

ستعبر النّقاط المشكلة لخط منحن متصاعد عن العلاقة الخطيّة بين الحرارة والضّغط، وسيكون من السّهل مد الخط للأسفل لقراءة درجة الحرارة الّتي يتقاطع عندها الخط مع درجة ضغط مساو للصفر على المحور الشّاقوليY.

باستخدام هذه النّظرية، وجد يوهان هاينريش لامبرت أنّ درجة حرارة الصّفر المطلق هي سالب 270 درجة سيليزيوس (سالب 454 فهرنهايت)

وهي تكون قريبة جداً من الدّرجة المقبولة حالياً والّتي تساوي سالب 273.15 سليزيوس (سالب 459.67 فهرنهايت).

وبما أنّ درجة حرارة الصّفر المطلق من المستحيل الوصول لها، يمكن إعادة صياغة القانون الثّالث حتّى يتناسبَ مع الواقع بالشكل الآتي:

“إنّ إنتروبي البلورة المثاليّة تقتربُ من الصّفر كلما اقتربت درجة حرارته من الصّفر المطلق”.

ختاماً

إنّ درجة الصّفر المطلق غير موجودة في الطّبيعة، ولا يمكننا الوصول إليها في المختبرات.

بالتّالي إنّ مفهوم الصّفر المطلق مهم للحسابات المتعلّقة بدرجات الحرارة والإنتروبي، إذ أنّ العديد من القياسات تفترضُ علاقة مع نقطة بداية.

فعندما نقدر مسافة علينا أن نسأل عن نقطة البداية؟ وعندما نحدد زمناً معيناً علينا أن نسأل منذ متى؟!

بذات الطّريقة، يعطي تحديد الصّفر المطلق معنى لكلّ درجات الحرارة الموجبة على هذا المقياس..

فعندما نقول أنّ درجة الحرارة تساوي 100 كلفن فهذا يعني أنّ درجة الحرارة أعلى من الصّفر المطلق بـ 100 درجة

وهي ضعف درجة حرارة 50 كلفن، ونصف درجة حرارة 200 كلفن.

المصدر: اضغط هنا

• إعداد: المهندسة أسماء حمود
• تحرير: المهندس بشار الحجي