دانلود تحقیق تشریح و تحلیلی از جنبه های فلسفی قوانین ترمودینامیک

تشریح قوانین ترمودینامیک
مطالعه ترمودینامیک را مهندسین قرن نوزدهم آغاز کردند؛ آنها می خواستند بدانند قوانین فیزیک چه محدودیت هایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می کنند.

ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می کند.

این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند.

این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می گیرد.

اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند.

برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند می تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.

موتور درونسوز برای تبدیل یک نوع انرژی به نوعی دیگر ساخته شده است.

در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد.

آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند.

شکل های زیر نوع از این طرحها را نشان می دهد.

این طرحها محدودیتهای قوانین ترمودینامیک را رعایت نمی کردند.

در این طرحها بدون انجام دادن کار انرژی گرفته می شد.

هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند.

در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ ها تکیه دارند، وزنه ها را به چرخ متصل می کنند.

وقتی میله ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند.

طراح می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می دهد.

اما آنچه در عمل اتفاق می افتد اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم ها در یک وضعیت متعادل باقی می مانند و حرکت متوقف می شود.

در این راه کوششهای فراوانی صورت گرفت، اما هیچکدام عملی نبود.

طرحهایی که عملاً با شکست رو به رو شدند.

یافته های حاصل از آزمایشان نشان داد که ساختن چنین ماشینی غیر ممکن است.

قانون اول ترمودینامیک نیز چیزی نیست، مگر بیان همین بقای انرژی.

اگر تنها راه تغییر دادن انرژی یک دستگاه، انجام دادن کار روی دستگاه و یا واداشتن دستگاه به انجام کار بود، مسئله ساده بود.

هر کاری که روی دستگاه انجام می دادیم در نهایت به صورت انرژی مکانیکی پس گرفته می شد.

دادن گرما به دستگاه هم سبب بالا رفتن دمای آن می شود و وقتی جسم به دمای اولیه اش بازمی گشت، گرمایی را که قبلا گرفته بود عینا پس می داد.

به این ترتیب می شد از نوعی انرژی مکانیکی داخلی دستگاه سخن گفت که عبارت بود از جمع جبری کار انجام یافته به وسیله دستگاه و کار انجام شده روی آن؛ در کنار آن دستگاه دارای یک محتوای گرمایی بود، که از جمع جبری گرمای داده شده به دستگاه و گرمای گرفته شده از آن محاسبه می گردید.

قانون اول ترمودینامیک
آزمایش ژول نشان داد که این تئوری نادرست است.

دمای یک جسم را می شد با انجام دادن کار روی آن تغییر داد؛ یک جسم می توانست گرما بگیرد (مثلا ماشین بخار) و کار مکانیکی انجام دهد.

به این ترتیب معلوم شد که نمی توان از گرمایی که در مقدار معینی ماده وجود دارد و یا از انرژی مکانیکی آن به صورت جدا از هم سخن گفت.

جسم فقط دارای یک مخزن انرژی است، که آن را "انرژی داخلی" می نامیم.

هم کار مکانیکی و هم گرما در این مخزن سهیم اند؛ برداشت انرژی از این مخزن می تواند به صورت کار مکانیکی و یا گرما باشد.

این، قانون اول ترمودینامیک است:
هر گاه فرآیندی را که با گرما و کار سر و کار دارد به کار گیریم تا دستگاهی را از یک حالت آغازین به یک حالت جدید برسانیم، تغییر انرژی درونی سیستم مقدار ثابتی دارد که مستقل از جزئیات فرآیند است.تغییرات انرژی درونی برابر مجموع کار انجام شده بر روی سیستم و گرمای داده شده به آن می باشد.

به عبارت دیگر اگر تغییرات انرژی درونی را با Δu ، کار انجام شده بر روی سیستم را با w و گرمای داده شده به آن را با Q نشان دهیم، خواهیم داشت:
Q+W=Δu
البته مقدار کار یا میزان گرما به جزئیات و مسیر فرآیند وابسته اند.

قانون اول به ما اجازه می دهد که مقدار مجهول گرما یا کار لازم برای یک فرآیند را با استفاده از مقدار گرما و کار لازم برای فرآیندی متفاوت که سیستم را از همان حالت آغازین به حالت نهایی مشابه می رساند، محاسبه کنیم.

همچنین گاه به کمک آن می توانیم نتایج کیفی عمومی چندی درباره رفتار یک سیستم به دست آوریم.‌یک بطری را که از نظر حرارتی عایق بندی شده با گاز آرمانی در دمایی مانند T1 بردارید، و به وسیله یک لوله که شیری دارد، آن را به بطری عایق بندی شده دیگری که خلاء شده است متصل کنید.

(شکل زیر) اگر ناگهان شیر را باز کنید، گاز از بطری اول به درون دومی خواهد شتافت تا فشارها برابر شوند.

به طور تجربی، دریافته ایم که این فرآیند انبساط آزاد، دمای گاز را تغییر نمی دهد- هنگامی که گاز به تعادل دست می یابد و از شارش باز می ایستد، دمای نهایی هر دو بطری برابر با دمای آغازین(T1) است.

چه چیزی می توانیم از این مشاهده تجربی استنتاج کنیم؟

از آنجا که بطریها از نظر حرارتی از محیط پیرامونشان عایق بندی شده اند، فرآیند انبساط نه گرمایی به گاز می افزاید و نه از آن می گیرد.

یعنی Q=0 است.

افزون بر این، فرآیند انبساط متضمن کاری نیست ( به استثناء مقدار ناچیزی که برای چرخاندن شیر لازم است)، یعنی W=0 است.

در نتیجه قانون اول به ما می گوید که انرژی گاز تغییر نمی کند.

این نشان می دهد که تغییر حجم بر انرژی اثر نمی گذارد؛ یعنی، انرژی درونی گاز آرمانی تابعی از حجم نیست.

بنابر قانون اول، فرض شده است انرژی گاز تابعی از پارامترهای ماکروسکوپی p،V و T است.

از آنجا که قانون گاز آرمانی به ما اجازه می دهد که p را بر حسب V و T بیان کنیم، انرژی را می توان به صورت تابعی از دو متغیر V و T انگاشت.

ولی مطالب بالا نشان می دهد که تغییر حجم بر انرژی بی اثر است؛ در نتیجه انرژی درونی گاز آرمانی تابعی از دمای تنهاست.

نتایج ترمودینامیک فقط برای حالتهای تعادلی سیستم بکار می رود، یعنی آن حالتهای ایستایی که سیستم، هنگامی که انتقال جرم، انتقال حرارت، و همه واکنشهای شیمیایی و دیگر واکنشها به پایان می رسند، در آن آرام می گیرد.

برای گاز درون دو بطری که در شکل نشان داده شده، حالت آغازین (گاز در یک بطری محدود شده و شیر بسته است) یک حالت تعادل است، و حالت نهایی (گاز به طور یکنواخت در هر دو بطری توزیع شده) نیز یک حالت تعادل است.

اما حالت میانی، هنگامی که بلافاصله پس از این که شیر را باز می کنیم، و گاز از بطری پر به درون بطری خالی هجوم می برد، یک حالت تعادل نیست.

بنابراین مجبوریم در این مورد (و نیز در سایر مسائل ترمودینامیک) محاسبات را به تغییرات کند و گام به گام (شبه ایستا و نزدیک به حالت تعادل) محدود می کنیم تا فرمولها در حین تغییر نیز صادق باشند.

ممکن است چنین محدودیتی دست و پا گیر به نظر برسد، اما در عمل آنقدر هم که تصور می شود دردسرساز نیست.

قانون دوم ترمودینامیک در قسمت بالا مشخص شد که می‌توان انرژی درونی یک جسم را به صورت گرما یا انرژی مکانیکی استخراج کرد.

دانشمندان در صدد بودند که ماشینی بسازند که بتواند با دریافت انرژی کمتر، کار ( یا گرمای ) بیشتری تحویل دهد.

اگر بتوان تمام انرژی درونی یک جسم را به کار تبدیل کرد، تا حد زیادی به این هدف نزدیک می‌شویم.

می‌خواهیم ماشینی بسازیم که قادر باشد پس از انجام مقدار معینی کار به نقطه ابتدایی خود باز گردد؛ در این صورت این ماشین می‌تواند به طور دائمی کار تولید کند.

این فرآیند را یک "چرخه" می‌نامند.

حال اگر منبع انرژی این چرخه، انرژی درونی ماده باشد، می‌توان تا پایان یافتن این انرژی درونی، دمای جسم را کاهش داد و در عوض کار تولید کرد.

در عمل هیچ گاه نمی توان چنین ماشینی ساخت.

هیچ ماشینی نیست که فقط با یک منبع گرمایی کار کند.

برای آنکه در یک چرخه، مقداری کار انجام گیرد و مقداری گرما استخراج شود، باید قسمتی از چرخه در دمایی پایین تر از دمای منبع عمل کند.

قانون دوم ترمودینامیک در واقع همین مطلب را آشکار می‌سازد.

قوانین ترمودینامیک به ما نشان می‌دهند که چه چیز امکان پذیر نیست.

از این رو هیچ تجربه یا آزمایشی به تنهایی نمی تواند آدمی را متقاعد کند که این قوانین صحیح هستند.

تنها چیزی که می‌توان گفت این است که ترمودینامیک تاکنون در تفسیر و پیش بینی همه پدیده های گرمایی موفق بوده و هنوز هم هست.

ماشین گرمایی گرما را می‌توان با سوخت تولید نمود، امّا معمولاً آنچه نیاز داریم کار مکانیکی است.

ماشینی که در یک فرآیند چرخه ای انرژی گرمایی را به کار مکانیکی تبدیل کند، ماشین گرمایی نامیده می‌شود.

ماشینهای گرمایی اولیه بازده بسیار کمی داشتند.

تنها بخش کوچکی از گرمای گرفته شده از منبع گرمایی می‌توانست به کار مفید تبدیل شود.

حتّی پس از تکامل طراحی فنی این ماشین ها، باز هم کسر قابل ملاحظه ای از گرما هدر می‌رفت و به انرژی مکانیکی تبدیل نمی شد.

آرزوی ابداع ماشینی که بتواند گرما را از یک منبع بی انتها، مثلاً آب اقیانوس، بگیرد و آن را به طور کامل به کار مفید تبدیل کند، هیچ وقت عملی نشد.

اگر می‌شد، ما دیگر نیازی به سوزاندن سوخت نداشتیم.

می‌توان ثابت کرد که اگر چنین می‌شد، حتی امکان این را داشتیم که ماشینی بسازیم که بدون نیاز به کار خارجی، گرما را از جسم سرد به جسم گرم منتقل کند ( یعنی یک یخچالی که انرژی مصرف نمی کند!

).

هیچ یک از این آرزوهای بلند پروازانه منافاتی با قانون اول ترمودینامیک ندارد.

ماشین گرمایی، انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کرد، امّا میزان کل انرژی در این فرآیند ثابت بود.

با وجود این، هیچکدام از این آرزوها هرگز تحقق نیافته اند.

قانون دوم ترمودینامیک نیز - که از تعمیم تجربه های متعدد حاصل شده است - مؤید آن است که چنین ماشین هایی وجود ندارند.

این قانون به چندین صورت مختلف بیان می‌شود که می‌توان نشان داد همگی آنها معادل یکدیگر هستند؛ یعنی اگر هر یک از این بیان‌ها نادرست فرض شود، می‌توان نشان داد بیان های دیگر نیز نادرست است.

ما در اینجا دو صورت از بیان این قانون را ذکر می شود.

در صورت اول بر بازده تبدیل گرما به کار تأکید می‌شود و صورت دوم به برگشت ناپذیری طبیعت توجه دارد.

صورت اول، بیان کلوین: فرآیندی که تنها نتیجه آن تبدیل کامل گرما به کار باشد، به هیچ وجه ممکن نیست.

صورت دوم، بیان کلاوسیوس: انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرمتر، بدون انجام کار، ممکن نیست.

بیان کلوین می‌گوید که در تبدیل گرما به کار نمی توان به بازده صد درصد دست یافت؛ و بیان کلاوسیوس، امکان معکوس شدن تمایل طبیعی گرما به جاری شدن از جسم گرم به جسم سرد، بدون دخالت عامل خارجی ( مثلاً به صورت کار ) را نفی می‌کند.

به عبارت دیگر، بیان اول امکان ساختن ماشین گرمایی ایده آل و بیان دوم امکان ساختن یخچال ایده آل را نفی می‌کند.

مراحل مطالعه ترمودینامیک قدم اول در مطالعه ترمودینامیک ، انتخاب قسمتی از فضا یا شی و یا نمونه است که به اختیار در نظر گرفته و مطالعه روی آن متمرکز می‌شود این قسمت را اصطلاحا سیستم می‌گویند.

بقیه فضا یا شی نمونه را که در تماس با سیستم بوده و در تحولات سیستم دخالت دارد یا به بیان دیگر با سیستم اندرکنش می‌کند، به مفهوم کلمه ، محیط اطراف می‌گوییم.

قدم بعدی انتخاب روش و یا دیدگاهی است که بررسی و مطالعه از آن دیدگاه صورت می‌گیرد.

در این رهگذر دو دیدگاه به ظاهر متفاوت وجود دارد که عبارتند از: دیدگاه ماکروسکوپیک Macroscopic دیدگاه ماکروسکوپیک ، یک نگرش کلی است و مشخصات کلی ، یا خواص بزرگ مقیاس سیستم ، مبنای توصیف ماکروسکوپی سیستم را تشکیل می‌دهند.

بطور خلاصه ، توصیف ماکروسکوپیکی یک سیستم عبارت از مشخص کردن چند ویژگی اساسی و قابل اندازه‌ گیری آن سیستم است.

دیدگاه میکروسکوپیک Microscopic از نظر آماری ، یک سیستم متشکل از تعداد بسیار زیادی ملکول( N مولکول) که هر کدام از این مولکولها می‌تواند در مجموعه‌ای از حالتهایی که انرژی آنها مساوی E1 و E2 و ...

است، قرار می‌گیرد.

این سیستم را می‌توان بصورت منزوی در نظر گرفت و یا در بعضی موارد می‌توان فرض کرد که مجموعه‌ای از سیستمهای مشابه، یا جمعی از سیستمها، آنرا در بر گرفته‌اند.

زمانی که برابری حرارت با انرژی مکانیکی، بطور قاطع محقق شد، موقع آن فرا رسید که قوانین مربوط به تبدیل شکلی از انرژی به شکل دیگر، تدوین شود.

نخستین گامی که در این جهت برداشته شد، توسط فیزیکدان آلمانی ، رودلف کلاسیوس (Clausius) و فیزیکدان انگلیسی ، لرد کلوین (Keluin) در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت.

این تلاشها به همین صورت ادامه یافت تا اینکه قوانین اساسی ترمودینامیک که بدنه اصلی و زیر بنای این علم را تشکیل می‌دهند، تدوین شد.

قوانین اساسی ترمودینامیک قانون صفرم ترمودینامیک یک کمیت اسکالر به نام دما وجود دارد که خاصیتی است متعلق به تمام سیستمهای ترمودینامیکی (در حال تعادل)، بطوری که برابری آن شرط لازم و کافی برای تعادل گرمایی است.

قانون اول ترمودینامیک اگر سیستمی فقط به طریقه بی‌دررو از یک حالت اولیه به یک حالت نهایی برده شود، کار انجام شده برای تمام مسیرهای بی‌دررو که این دو حالت را به یکدیگر مربوط کنند، یکسان است.

قانون دوم ترمودینامیک هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست.

به بیان دیگر می‌توان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخه‌ای آن باشد که بطور مداوم آزمایشهای مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل کند.

قانون سوم ترمودینامیک این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرآیند متناهی به صفر مطلق دست یافت.

به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است.

البته به نزدیکیهای صفر مطلق می‌شود رسید، اما خود صفر مطلق قابل دسترس نمی‌باشد.

ارتباط کمیات ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک کمیتهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک هر سیستمی باید باهم ارتباط داشته باشند.

زیرا آنها از دو راه مختلف ، وضعیت یکسانی را توصیف می‌کنند.

بویژه ، باید بدانیم که کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک بیان کینم.

بعنوان مثال فشار یک گاز، عملا با استفاده از فشارسنج اندازه‌ گیری می‌شود، اما از دیدگاه میکروسکوپیک ، فشار مربوط است به آهنگ متوسط انتقال اندازه حرکت ملکولهای گاز که به واحد سطح فشارسنج برخورد می‌کنند.

اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیک را بر حسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، قادر خواهیم بود قوانین ترمودینامیک را بطور کمی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم.

ارتباط ترمودینامیک با مکانیک آماری توضیح علم ترمودینامیک به کمک علم انتزاعی‌تر مکانیک آماری، یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک است.

علاوه بر این، بنیادی‌تر بودن نکات مکانیک آماری، به ما امکان می‌دهد که اصول عادی ترمودینامیک را تا حد قابل توجهی تکمیل کنیم.

چشم انداز ترمودینامیک توصیف مشخصات کلی یک سیستم به کمک تعدادی از ویژگیهای قابل اندازه‌ گیری آن ، که کم و بیش توسط حواس ما قابل درک هستند، یک توصیف ماکروسکوپیک است.

این توصیفها نقطه شروع تمام بررسیها در تمام شاخه‌های فیزیک هستند.

اما در ترمودینامیک توجه ‌ما به داخل سیستم معطوف می‌شود، بنابراین دیدگاه ماکروسکوپی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیات ماکروسکوپی تأکید می‌کنیم که رابطه‌ای با حالت داخلی سیستم داشته باشند.تعیین کمیتهایی که برای توصیف این حالت داخلی لازم و کافی هستند، به عهده آزمایش است.

آن کمیتهای ماکروسکوپیکی که به حالت داخلی سیستم مربوط هستند، مختصات ترمودینامیک خوانده می‌شوند.

این مختصات ، برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار می‌آیند.

هدف ترمودینامیک ، پیدا کردن روابط کلی این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند.

سیستمی را که بتوان بر حسب مختصات ترمودینامیکی توصیف کرد، سیستم ترمودینامیکی می‌گویند.

ترمودینامیک و عالم سی.پی.

اسنو زمانی گفت که ندانستن قانون دوم ترمودینامیک مانند این است که از شکسپیر هرگز چیزی نخوانده باشیم.

اما در حالی که بسیاری از مردم قانون اول را که می گوید«انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود»، به خوبی درک می کنند، اندک اند کسانی که با قانون دوم که می گوید« آنتروپی فقط افزایش می یابد» ، آشنایی دارند.

به هر حال، آنتروپی چیست و چرا باید افزایش یابد؟

ما چه بخواهیم چگونگی کارکرد دستگاهی به سادگی یخچال را بفهمیم و چه بخواهیم به سرنوشت عالم پی ببریم، نخست باید مفاهیم انرژی و آنتروپی را درک کنیم.در کتاب ترمودینامیک و عالم، مارتین و اینگه گلدشتاین قوانین ترمودینامیک را برای علاقه مندان و نوآموزان علم بیان می کنند.

آنها نخست تاریخچِه ترمودینامیک را به سرعت بیان می کنند سپس نشان می دهند که این قوانین چگونه از نظریه اتمی ماده پیروی می کنند و از کابردشان در پدیده های گوناگونی مانند تابش نور از اجسام داغ، تشکیل الماس از گرافیت، حمل اکسیژن به وسیله خون، و تاریخچه زمین نمونه هایی می آورند.

نویسندگان نتیجه می گیرند که قوانین انرژی حتی اگر همه چیز را درباره هر چیزی نگویند، در همه جا حضور دارند.

تحلیلی از جنبه های فلسفی قوانین ترمودینامیک بخش دوم: قانون دوم ترمودینامیک قانون دوم ترمودینامیک متضمن این مفهوم استکه یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش می رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نیست.

این محدودیت برای جهت وقوع یک فرایند, مختصه قانون دوم است.اگرسیکلی متناقض با قانون اول ترمودینامیک نباشد,دلیلی براین نیست که آن سیکل حتماً اتفاق می افتد.

همین امر منجر به تنظیم قانون دوم ترمودینامیک شده است.

دو بیان کلاسیک از قانون دوم ترمودینامیک وجود دارد که هر دو بیانگر یک مفهوم اساسی هستند: بیان کلوین- پلانک و بیان کلازیوس ,بیان کلوین- پلانک بر پایه توضیح عملکرد موتورهای حرارتی است وبیان می دارد که غیرممکن است وسیله ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند و در عین حال که با یک مخزن تبادل حرارت دارد اثری بجز صعود وزنه داشته باشد.

این بیان از قانون دوم ترمودینامیک در بر گیرنده این مضمون است که غیر ممکن است که یک موتور حرارتی مقدار مشخصی حرارت را از جسم درجه حرارت بالا دریافت کند و همان مقدار نیز کار انجام دهد.

بیان کلازیوس نیز یک بیان منفی است و اعلام می دارد که غیر ممکن است وسیله ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند و تنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به جسم گرمتر باشد.

این بیان بر پایه توضیح عملکرد پمپهای حرارتی می باشد و دربرگیرنده این مفهوم است کهنمی توان یخچالی ساخت که بدون کار ورودی عمل کند.

هر دو بیان کلاسیک از قانون دوم ترمودینامیک نوعاً بیانهای منفی هستند و اثبات بیان منفی ناممکن است.

درباره قانون دوم ترمودینامیک گفته می شود"هر آزمایش مربوطی که صورت گرفته به طور مستقیم یا غیرمستقیم ﻤﺆید قانون دوم بوده و هیچ آزمایشی منجر به نقض قانون دوم نشده است.

همانگونه که ذکر شد تنها گواه ما بر صحت قانون دوم ترمودینامیک آزمایشات گوناگونی است که همگی درستی این قانون را ﺘﺄیید می کنند.

با این همه در ترمودینامیک کلاسیک سعی می کنند نشان دهند که اثبات معادل بودن دو بیان کلوین- پلانک و کلازیوس دلیلی بر صحت قانون دوم ترمودینامیک است.

در حالیکه این امر درستی قانون دوم را اثبات نمی کند.

در اثبات اینکه دو بیان فوق الذکر معادل یکدیگرند از یک مدل منطقی بهره جسته می شود که می گوید: " دو بیان, معادل هستند اگر صحت هر بیان منجر به صحت بیان دیگر گرددو اگر نقض هر بیان باعث نقض بیان دیگر شود." در ترمودینامیک کلاسیک ,برای اثبات معادل بودن دو بیان کلوین- پلانک و کلازیوس نشان داده می شود که نقض بیان کلازیوس منجر به نقض بیان کلوین- پلانک می شود.

وسیله ناقض بیان کلازیوس یک پمپ حرارتی است که نیازی به کار ندارد.

به دلیل اینکه انتقال حرارت خالص با منبع درجه حرارت پایین وجود ندارد پس پمپ حرارتی و موتور حرارتی و منبع درجه حرارت بالا مشتمل بر یک سیکل ترمودینامیکی است اما فقط با یک مخزن تبادل حرارت داردبنابراین نتیجه می شود کهناقضبیان کلوین- پلانک می باشد.

و گفته می شود تساوی کامل این دو بیان هنگامی اثبات می شود که نقض بیان کلوین- پلانک نیز موجب نقض بیان کلازیوس بشود.

با این وصف باید بپذیریم که دو بیان فوق, منتج از یکدیگر هستند.

" در اثبات معادل بودن چند گزاره اگر عبارتی بصورت B ↔A بیان شده باشد آنگاه B نتیجه A است و A هم نتیجه B, بعبارت دیگر AوB معادل یکدیگر هستند, بالعکس اگر A وBمعادل یکدیگرباشند,هریک از آنها نتیجه دیگری است."معادل بودن دو بیان کلوین- پلانک و کلازیوس را می توان با استفاده از قانون لایب نیتس نشان داد که می گوید: اگر Aو Bیکسان و همانند باشند باید تمام ویژگیها و خاصه های آنها نیز یکسان باشد.از اصل لایب نیتسگاهی به عنوان اصلنامتمایز بودن همانها indescernibility ofidenticals یاد می شود.در واقع این اصل منطقی بیان می دارد که " اگر یک ویژگی یافت شود که A آن را داراست اما B فاقد آن است بنابراین A وBموجودیتهای مجزایی خواهند بود." دو بیان کلازیوس و کلوین- پلانک معادل یکدیگرند زیرا که هر دو متضمن این ویژگی هستند که ساخت یک ماشین حرکت دائمی Perpetualmovementmachine ممکن نمی باشد.

روشهای اثبات منطقی در بسیاری از قضایای ترمودینامیک بر پایهء آزمایشهای ذهنی می باشد.

نظیر اثبات قضایای کارایی سیکل کارنو که در آن نخست فرضی را مطرح کرده و سپس نشان داده می شود که آن فرض به نتایج غیرممکن می انجامد و چون روش استدلال در این آزمایش ذهنی نوعاً درست بوده تنها حالت ممکن این است که فرض اولیه نادرست باشد.

نامساوی کلازیوس وقانون دوم ترمودینامیک اغلب گفته می شود که نامساوی کلازیوس لازمه قانون دوم ترمودینامیک است.

نامساوی کلازیوس را با بررسی سیکل موتور حرارتی و یخچال اثبات می کنند.

اما با التفات به اثبات نامساوی کلازیوس باید بپرسیم که چگونه نامساوی کلازیوس لازمه قانون دوم است در حالیکه طی مراحل آن از قانون دوم مستثنی نیست و در روند اثبات آن مدام بهقانون دوم استناد می شود؟در اینجا نامساوی کلازیوس,صحت خود را از درستی ازپیش معلوم فرض شدهء قانون دوم وام می گیرد"هر دلیلی که در دفاع از فرضیه ای اقامه می کنیم باید غیر از نتیجه و مستقل از آن باشد.

اگر تنها گواه صدق ما خود نتیجه باشد استنتاج مشتمل بر دور و لذا کاملاً نارضایت بخش خواهد بود." گواه صدق نامساوی کلازیوس نیز قانون دوم است بنابراین نامساوی کلازیوس نمی تواند لازمه قانون دوم ترمودینامیک باشد.

نتایج فلسفی قانون دوم ترمودینامیک همانطور که قانون اول ترمودینامیک منجر به تنظیم خاصیتی به نام انرژی شد قانون دوم ترمودینامیک به ابداع مفهوم مجردی به نام آنتروپی(Entropy) می انجامد.

این قانون ازاهمیت فلسفی فوق العاده ای برخورداراست و همیشه نظریات و مباحثات گوناگونی پیرامون آن در گرفته است.

قانون دوم را عده ای به عنوان دلیلی بر وجود خدا بسیار با ارزش تلقی کرده اند(خدایی که جهان را در حالت کمترین آنتروپی آفرید و از آن پس جهان مدام از این حالت دورتر می شود و رو به تباهی می رود).اما برعکس عده ای هم آنرا به دلیل ناسازگاری با ماتریالیسم دیالکتیک ونفی کمال پذیری وضعیت انسان مردود دانسته اند.آنتروپی معیاری برای بی نظمی یک سیستم است.

هرقدر نظم ساختاری و عملکردییک سیستم کمتر باشد گفته می شود آنتروپی آن بیشتر است.

طبق قانون دوم ترمودینامیک هر فعالیت طبیعی موجب افزایش آنتروپیمی شود و جهت و گرایش طبیعت نیز به سوی بی نظمی است.

"اوراق منظمی که پشت سر هم چیده شده اند یا کتابهایی که بطور مرتب در قفسهء کتابخانه قرار دارند ,اگر کوششی در جهت برقراری نظم آنها انجام نگیرد و مثلاً اهمیتی داده نشود تا هر کتاب برداشته شده باز به جای اولیه اش برگردانده شود بی نظمی یا به عبارتی آنتروپی آن روز به روز بیشتر خواهد شد".

شاید به نظر برسد که در طبیعت فرایندهایی هم هست که در آنها از یک حالت بی نظم به یک حالت منظم برسیم.

مثلافرایند ساختن ساختمان عبارتست از نظم دادن به مقداری آجر خاکسیمان و آهن پراکندهو بی نظم واینطور برداشت شود که چنین فرایندهایی در جهت افزایش نظم و به تبع آن کاهش آنتروپی پیش می رود.

اما باید گفت که قانون دوم ترمودینامیک یک سیستم را مجزا از محیط در نظر نمی گیرد.

آنچه افزایش می یابد آنتروپی کل است شامل محیط و سیستم.

ممکن است در بخشهایی از سیستم شاهد کاهش آنتروپیودر نتیجه افزایش نظم باشیم اما بی تردید در جایی دیگر با افزایش بیشتری در میزان بی نظمی روبرو خواهیم بود.

"می توان نشان داد که تمرکز نظم در یک نقطه به قیمت افزایش بی نظمی در نقطه ای دیگر است.آنچه از تئوری و آزمایشات بر می آیند نشان می دهند که در کل هر سیستم مقدار افزایش بی نظمی بیشتر از کاهش آن است و از این رو مجموعاً در هر فرایندی مقدار بی نظمی(آنتروپی) زیاد می گردد." در یک تحلیل آماری می توان به این نتیجه رسید که همواره تعداد حالات بی نظم یک سیستم بسیار پرشمارتر از حالات منظم آن هستند.

"تکه های یک عکس را درون یک جعبه در نظر بگیرید.

این تکه ها در یک و تنها یک آرایش تصویری کامل می سازند.

از سویی دیگر آرایشهای بسیار زیادی هستند که تصویرچیزی را درست نمی کنند و تکه های عکس در حالت بی نظمی به سر می برند.

هر چه جعبه را بیشتر تکان بدهیم تعداد آرایشهای درهمو برهم که بیانگر هیچ تصویری نباشند بیشتر می گردد.

از دیدگاه آماری احتمال اینکه یک فرایند در جهتکاهش آنتروپی پیش رود صفر نیست.

به بیان دیگر امکان بروز چنین حالتیبه قدری کم است که گویی غیر ممکن است.

اما نمی توان صراحتاً گفت که هیچ امکانی برای آن متصور نیست.

جعبه ای را که حاوی یک گاز و در تعادل ترمودینامیکی است در نظر می گیریم.

طبق تعریف, گاز موجود در جعبه حداکثر آنتروپی ممکن را خواهد داشت.

نظر به اینکه همه مولکولها به طور مداوم در حرکتند احتمال اینکه مولکولهای هوا به شکل خاصی قرار بگیرند و مثلا همه در یک گوشه جعبه متمرکز شوند وجود دارد ولی این احتمال فوق العاده کم است.

یعنی از میلیارد میلیارد حالتی که این مولکولها می توانند داشته باشند تنها یک حالت ممکن است آن حالت منظم مورد نظر ما باشد که آنتروپی کمتری دارداحتمال چنین اتفاقی تقریباً صفر است.

واقعیت این استکه از نظر ریاضی این امکان وجود دارد که چنان آرایش منظمی اتفاق بیفتد ولی احتمال آن فوق العاده کوچک است.

افزایش بی نظمی و مرگ حرارتی(Heat death) یکی از تعابیری که با اعمال قانون دوم ترمودینامیک به کل جهان به دست می آید این است که جهان در آغاز پیدایش, آنتروپی مشخصی داشته است ولی مقدار آن رفته رفته افزایش پیدا کرده است.این افزایش آنتروپی تا جایی ادامه پیدا می کند که جهان به حالت تعادل ترمودینامیکی برسد.

آنگاه از فعالیت باز خواهد ماند و هیچ اتفاقی در آن به وقوع نخواهد پیوست و به اصطلاح خواهد مرد.

این فرایند به مرگ حرارتی (Heat death) جهان معروف است.

چنین استدلال می شود که "با فرض اینکه جهان در آغاز خلقت در یکحالت کاملاً نامنظم و هرج و مرج کامل و تعادل ترمودینامیکی بوده باشد احتمال اینکه به طور اتفاقی یک جهان منظم ایجاد شده باشد فوق العاده کم است.

پس باید خالقی باشد که علاوه بر خلق همان جهان نامنظم آغازین, یکی از میلیاردها میلیارد حالت را برگزیند تا جهانی منظم مانند آنچه ما شاهدش هستیم به وجود آید." نظریات مخالفی هم وجود دارد که بیان می دارند جهان می توانست در یک مدت طولانی در حالت تعادل ترمودینامیکی باقی بماند.

در چنان وضعیتی بالاخره لحظه ای می رسید که در گوشه ای به طور اتفاقی نظم به وجود بیاید.

"اگرمدت ماندن جهان در حالت تعادل ترمودینامیکی واقعاً بلند باشد احتمال آن افزایش می یابد.

خصوصاً اگر جهان را ازلی بدانیم دیگرمشکلی ازنظر زمان طولانی نخواهیم داشت.

یکی از مشهورترین افرادی که وجود خالقی برای نظم دادن را لازم نمی بیند فیزیکدان مشهور آلمانی بولتزمن(boltzmann) است."جهت افزایش بی نظمی به بیانی همان پیکان زمان است کهفقط در یک سو جریان دارد.

یعنی تغییرحالت سیستم از یک حالت کم احتمال به یک حالت پر احتمال.دیدگاههایی که به پایان جهان در حالت تعادل ترمودینامیکی و بی نظمی حداکثر معتقدند ابراز می دارند که چون جهان به سوی بی نظمی و هرج و مرج می رود و مقدار بی نظمی آن روز به روز افزایش می یابد پس به همین دلیل می توان پیش بینی کرد که جهان هستی روزی به یک مقدار ماکزیمم در بی نظمی رسیده و فرو می پاشد.این تعبیر طرفداران بی شماری دارد زیرا پیش بینی فرجام محتوم جهان خلقت در حالت مرگ و زوال مستلزم این است که جهانهستی, ازلی و بی آغاز نبوده بنابراین آغاز و آفرینشی در کار بوده و بدین ترتیب از این امر, وجود خدا را استنتاج می کنند.

در اینجا لازم است پدیدهء مرگ و زوال از دیدگاه ترمودینامیکی تبیین شود."از جمله تواناییهای جالب تمام موجودات زنده خودساختاردهی است.

بدین معنی که ما برای ادامه زندگی, مدام به نظم دادن به ساختارهای بی نظم خود می پردازیم"البته این فرایند مستلزم صرف انرژی و در نتیجه افزایش ناخواسته آنتروپی و میزان بی نظمی ساختارمان است.

موجودات زنده برای زنده ماندن به تغذیه و تنفس نیاز دارند.

"مواد غذایی ساختاری پیچیده و منظم دارند و آنتروپیآنها پایین است.

هر سیستمی که آنتروپی پایینی داشته باشدانرژی متمرکز یا مفید بیشتری دارد و لذا انرژی مفید مواد غذایی بالاست.و این مهمترین مشخصه آنهاست.

بنابراین تغذیه و تنفس برای یک موجود زنده عبارتست از وارد کردن مواد کم آنتروپی به بدن و در نهایت پایین آوردن آنتروپی کل و طولانی کردن عمر" از این رو زمانی که موجود زنده ای در ارتباط با محیط نباشد زمان زیادی طول نمی کشد که کلیه حرکاتش تحت ﺘﺄثیر اصطکاک و سایر عوامل برگشت ناپذیری که به افزایش آنتروپی می انجامند متوقف شده توزیع دما در سرتاسر بدن موجود زنده یکنواخت گردد و در ادامه موجود زنده به یک تعادل ترمودینامیکی برسد که مرگ خوانده می شود.

ما برای ادامه دادن به حیات خود, سعی می کنیم سرعت رسیدن به تعادل ترمودینامیکی را کندتر کنیم و اجازه ندهیم تا آنتروپی و بی نظمی بدن مانبه مقدار ماکزیمم خود برسد.اما همواره مقدار انرژی مصرفی بدن موجود زنده, بیشترازانرژی کسب شده آن است و در نتیجه بی نظمی یک سیستم زنده بی تردید به یک مقدار حداکثری می رسد.

مانند تمام رویدادهای طبیعت که با افزایش آنتروپی همراهند, آنتروپی موجود زنده نیز به دلیل خودساختاردهی (که برای کند کردن روند رسیدن به تعادل صورت می گیرد) مدام درحال افزایش است.بنابراین مرگ, همان رسیدن به حالت تعادل ترمودینامیکی یا مقدار ماکزیمم بی نظمی برای بدن موجود زنده است.