ترمودینامیک

تحلیلی از جنبه های فلسفی قوانین ترمودینامیک

چکیده :

در این مقاله جنبه های فلسفی و منطقی استدلال در قوانین ترمودینامیک براساس دیدگاههای کلاسیک فلسفهء علم ارا ئه میشود . آیا قوانین ترمودینامیک احکامی عام ومسلم ازاعیان خارجی و منافی اراده آزاد هستند؟ و آیا قوانین ترمودینامیک فقط و فقط اشکال ریاضی ﻤﺄخوذ ازتجربه وعاری ازهرگونه معنی ملموس هستند؟ آیا مجادله فلسفی پیرامون ترمودینامیک بیهوده است؟ دراین نوشتار پرسشهایی از این دست تحلیل و بررسی میگردد.

مقدمه:

یکی از تعاریف عالی ترمودینامیک این است که ترمودینامیک علم انرژی و آنتروپی میباشد. تردیدی نیست که علم در چنین تعریفی با تعبیری پوزیتیویستیک(1) به معنای دانشی بر پایهء مشاهدات تجربی بیان شده است. از این منظر هرکجا که سخنی از علم میرود مقصود علم تجربی است . برتراند راسل(2) معتقد است اگر نتوانیم از چیزی آگاهی تجربی بدست آوریم هیچ آگاهی ازآن نخواهیم داشت.اگر پرسیده شود که صحت خود این مدعا چگونه به اثبات میرسد پاسخ این است که اساساً چنین پرسشهایی تجربی نیستند. بدین معنا که نمیتوان آن را به محک تجربه گذاشت. سوالاتی از ازاین دست ، در حوزه متافیزیک جای میگیرند. روش پاسخ دادن به چنین سوالاتی که به جنبه های معرفت شناختی (3) علم مربوط میشوند نظیر همهء مسائل متافیزیکی تعقل منطق است و نه آزمون تجربی . تفاوت عمده ای هست میان علم پوزیتیویستی که بر پایه ی تجربه پذیری بنا شده و متافیزیک که تفسیری عام و فراگیر از مسائل جهان هستی است. حوزه مبحث این نوشتار اغلب تحلیل جنبه های استدلال منطقی در قوانین ترمودینامیک برخی پرسشهای فلسفی معرفت شناختی پیرامون آن است. با این تفاسیر ترمودینامیک یک علم تجربی است. چرا که در قوانین بنیادی آن یافته های تجربی بیصورت روابط ریاضی درآمده اندر. بنیان ترمودینامیک بر پایه مشاهدات تجربی است. تجربی است از اینرو که قابلیت تجربه پذیری همگانی(4) دارد. " پدیده ای که مورد کاوش تجربی قرار می گیرد باید چنان باشد که همه بتوانند در آزمون آن شرکت کنند و هرس با تحصیل شرایط خاص بتواند به آسانی آن را تجربه کند. اموری که تنها برای یکبار اتفاق می افتد یا اموری که تجربه آنها همگانی نیست از قلمرو کاوشهای علمی بیرون می مانند [1 ] تجربه مشاهدات تکرارپذیریست که عینی(5) بوده وهمه بتوانندآن کاوش را انجام داده و نتایجش را بررسی کنند.بنابراین واضح است که ترمودینامیک واجد شرایط تجربه پذیری علمی است. بااین وجود مباحث مربوط به ترمودینامیک فاقد آن تجربه گری صرف است که در برخی ازعلوم وجود دارد. بدین معنی که ترمودینامیک فقط برپایه تجربه ومشاهده نیست.اصولا مباحث مرتبط با مکانیک و شاخه های آن دقت و تأکید فراوانی بر استدلال استقرایی(6) دارند و اصول بنیادی مکانیک برپایه مدلسازی ریاضی ازپدیده های فیزیکی است . پایه های اصلی مباحث ترمودینامیک را مانند تکیه گاههای منطقی علم مکانیک باید در شهود و تجربه جستجوکرد . از آن پس میتوان یک چارچوب ذهنی ترتیب داد و به عنوان مثال با پی ریزی یک مدل منطقی میتوان مطالعه ی مکانیک شاره ها را در ادامه ی مکانیک مقدماتی و ترمودینامیک قرار داد.

آیا مجادله فلسفی پیرامون ترمودینامیک بیهوده است؟

آیا ممکن است بحثها و مجادلات فلسفی پیرامون چنین مباحثی که در حیطه و قلمرو فلسفه علم جای می گیرند اساساً پوچ و بیهوده باشند؟ صاحبنظران مکاتیب زبان شناسی علم تفسیر (Hermeneutics) نظیر پل ریکور و دوره اول ویتگنشتاین اعتقاد داشتند که مشاجرات فلسفی اصلاً درباره جهان نیستند وفقط نوعی بحث زبان شناسی هستند. در نتیجه برای آنها هرگونه فلسفه , بیشتر برای به دورافکندن فلسفه بود تا اینکه مثلاً در جهت تدوین مسائل فلسفه علم باشد. ویا طرفداران مکتب فرا استراکتورالیسم (post structuralism) و شخص میشل فوکو امکان مباحثی تحت عنوان فلسفه علم را باطل می دانند.
پوزیتیویستها (positivists) نیز قدرت علم را تا حدی زیاد می دانند که نیاز به هرگونه فلسفه ای را باطل تلقی می کنند . از دیدگاه آنان این بحثها بیشتر , نوعی "خیالبافی فیزیکی" است. از این رو _ رودلف کارناپ_ که در تاریخ فلسفه علم معاصر به عنوان یک پوزیتیویست شناخته می شود پایان عمر متافیزیک را در 1930 نشان داد و هرگونه مجادله فلسفی در این زمینه را پوچ و بیهوده اعلام کرد. در اگزیستانسیالیسم دو دیدگاه رایج در این باب وجود دارد. اگزیستانسیالیست هایی نظیر هایدگر , طبیعت را موضوع تعمق فلسفی می دانند و در نتیجه به نوعی پرداختن به فلسفه علم را می پذیرند. در حالیکه مکتب اگزیستانسیالیسم ژان پل سارتر موضوع چنین بحث های فلسفی را خود آگاهی انسان می داند.در هر حال دیدگاههای متفاوتی نسبت به حقانیت مباحث (Discourse) فلسفه علم وجود دارد. برخی این مجادلات را بیهوده و یا یک جدل بی حاصل صرفاً زبانی ارزیابی کرده اند و برخی دیگر پرداختن به این مسائل را جستجوی اساسی ترین پرسشهای فلسفی دانسته اند. موضوع این نوشتار تحلیل دیدگاههایی است که حقانیت مبحث فلسفه علم را پذیرفته اند. فلسفه علم از نظر آنچه نتایج فلسفی علوم است به بخشهای مختلفی تقسیم می شود. مسائل مرتبط با متافیزیک , مسائل معرفت شناختی (Epistemology) نظیر تئوری های شناخت و مبانی و پیش فرضهای فلسفی و دسته بندی موضوع شناخت بین عینیت و ذهنیت , یا مسائل ارزش شناختی (Axiology) و الی آخر. اما چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی یکی از مهمترین موضوعات مورد توجه در فلسفه علم می باشد . مساله چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی , مشتمل بر دونظریه اصلی میباشد _ یکی نظریه توماس کوهن (T.Kuhn)ودیگری نظریه کارل پوپر (K.popper) _ نظریه توماس کوهن تحت عنوان نظریه سوبژکتیویستی یا ذهنیتگرایانه subjectivity و همچنین نظریه کارل پوپر که در کتاب دانش عینیobjective knowledge بیان شده است بیشتر به نام نظریه ابژکتیویستی یا عینیت گرایانه (objectivity) شهرت دارد. کوهن اعتقاد داشت که "علوم بر مبنای پارادایم(paradigm ) با سرمشق های معین جلو می روند. این سرمشق ها پیش فرض های قبول شده ای هستند که در حل مسائل مورد تحقیق , هیچگاه مورد تردید واقع نمیشوند" . مثلاً در پارادایم نیوتنی , زمان و مکان مستقل از یکدیگر وجود خارجی داشته و نیرو در این سیستم برابر است با حاصلضرب جرم در شتاب. اما این پیش فرض های از پیش قبول شده بر دانش حضوری و ادراک شهودی تکیه دارند که چندان محل اطمینان و یقین نیست.از همین روست که امکان دارد سرمشقهای شهودی در پارادایم ها که در یک زمان کاملاً بدیهی بوده در زمان دیگر اعتباری نداشته باشند. بعنوان مثال پس از ارائه نظریه نسبیت , " فرض فیزیک کلاسیک در مورد مطلق بودن همزمانی , که بر مبنای بدیهیات اولیه و فرضهای پیش آزمونی قرار داشت دیگر یک بدیهی بی نیاز از تحلیل محسوب نمی شود. توماس کوهن می گوید هرگاه تعداد زیادی از مسائل تحقیق , خود پارادایم را زیر سوال ببرند شرایط بحرانی پیش آمده و در این حالت به تدریج پارادایم جدیدی شکل می گیرد که جایگزین پارادایم قدیمی میگردد. (مثل جایگزینی تئوری نسبیت اینشتین به جای تئوری های مکانیک نیوتنی) . از این رو مطابق با نظریه ذهنیت گرایانه کوهن , واقعیت های عینی , هرگز نتایج تئوریک فلسفی به بار نمی آورند وبه بیان دیگر این ذهنیت است که برعینیت تقدم دارد. در ترمودینامیک با مفاهیمی نظیر مدل ایده آل سیکل کارنو یا سیکلهای معادل آن روبرو هستیم که گفته می شود هیچ نتیجه عینی در بر ندارند. و این درحالیست که عملی نبودن سیکلهای معادل سیکل کارنو , بیشتر از جنبه مواجهه با محدودیت عمل ابزارهای مورد استفاده می باشد نه ازاین بابت که مدلهای ذهنی مذکور , اساساً امکان عملی شدن نداشته باشند. بنابراین می توان تصور کرد که روزی انسان بتواند بر محدودیتهای سد راه عملی شدن برخی از مدلهای ترمودینامیکی , غلبه کند وتجارب بعدی تدریجاً به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و حتی اصول مسلمه ترمودینامیک کلاسیک نیز مورد تردید قرار گیرند. هیچ استبعادی ندارد روزی ابزارها و سیستمهایی طراحی شوند که محدودیتهای کنونی را نداشته باشد یا شیوه هایی ابداع شود که به کمک آنها عبور ازمحدودیت و الزام قانون دوم ترمودینامیک به نوعی ممکن شود. وشاید در آنصورت تحولات شگرفی در زندگی انسان بوجود بیاید . از این رو این امکان وجود دارد که مجادله کنونی پیرامون تعابیر فلسفی ترمودینامیک , در آینده به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و از نگاه پراگماتیستی دستاوردهای عملی داشته باشد .

پایه ها ی مطالعه مکانیک شاره ها:

پایستاری جرم
قانون دوم نیوتن
اصل تکانه زاویه ای
قانون اول و دوم ترمودینامیک
شش اصل بنیادی در مکانیک مقدماتی
اصل قابلیت انتقال
قانون گرانش نیوتن
قانون اول نیوتن
قانون دوم نیوتن
قانون سوم نیوتن
قانون متوازی الاضلاع برای جمع بستن نیروها
به استثناء قانون اول نیوتن و اصل قابلیت انتقال که دو اصل بنیادی مستقل هستند سایر اصول مکانیک مقدماتی مبتنی بر شواهد تجربی اند.با این اوصاف مطالعه ترمودینامیک صرفاً بر پایه ی تجربه گری نیست بلکه آمیزه ای از درک شهودی(7) و تجربه ی مستقیم میباشد . قوانین ترمودینامیک را میتوان بر اساس تعاریف اصولی و رایج علم نیز بررسی کرد:
الف: یک قانون علمی نظمی همیشگی و پایدار را بیان میکند.قضایای کلی عموما" با همیشه،هیچ،هر یا همه آغاز میشوند .
ب: قوانین علمی توانایی پیشگویی مشروط دارند و با دانستن وضع فعلی سیستم میتوان آینده ی آن را به طور مشروط معلوم کرد.
ج: قوانین علمی وقوع برخی پدیده ها را در جهان نامکمن و نشدنی اعلام می کنند ابطال پذیرند(8) و میتوان تصور کرد که روزی تجربه ای خلاف آن مشاهده شود.
د: قوانین و فرضیات علمی توتولوژیک(9) نیستند ، حصر منطقی ندارند و جمیع حالات ممکن را در بر نمیگیرند .
ه: قوانین علمی گزینشی(10) هستند و هرگز همه جوانب پدیده ها را تجربه و تحقیق نمی کنند.
قوانین ترمودینامیک مجموعه ی این تعاریف را ارضا می کند. فی المثل وقتی گفته میشود که قانون اول ترمودینامیک برای هر سیکل بسته ای برقرار میباشد سخن از یک تجربه همیشگی و پایدار گفته ایم. با قوانین ترمودینامیک می توان آینده ی یک سیستم را از قرائن فعلی آن پیش بینی نمود. قوانین ترمودینامیک همچنین وقوع پدیده هایی را ناممکن اعلام می کنند. این خاصیت ابطال پذیری قوانین علمی است که به پدیده ها اجازه هرگونه جهتی را نمی دهند ونسبت به جهتگیری حوادث بی تفاوت نیستند. " ابطال پذیری به معنای باطل بودن نیست. قانون ابطال پذیر یعنی قانونی که برای آن بتوان تصور کرد که در صورت وقوع پدیده ای باطل می شود. نقش تجربه هم در علوم کشف بطلان است و نه اثبات صحت . ابطال پذیری به معنای این نیست که این قوانین حتماً روزی باطل خواهند شد بلکه اگر صحت یک قانون علمی تضمین هم شده باشد باز هم ابطال پذیر خواهد بود. یعنی در فرض می توان تجربه ای را که ناقض آن است پیدا کرد.ابطال پذیری معادل تجربه پذیری است. قانونی علمی است که تجربه پذیر باشد و وقتی تجربه پذیر است که ابطال پذیر باشد و وقتی ابطال پذیر است که نسبت به جهان خارج وجهت پدیده های آن بی تفاوت نباشد" [1] قوانین ترمودینامیک مثل هر قانون علمی دیگرگزینشی هستند . و فقط چند خاصیت محدود را بررسی می کنند . بعنوان مثال مدل گازایده آل فرایند پلی تروپیک PV=mRT فقط به چند خاصیت از قبیل فشار ، دما ، حجم و... محدود می شود. هیچ قانون ترمودینامیکی یافت نمی شود که در آن همه ی خواص ترمودینامیکی منظور شده باشد . هر قانون تنها جنبه هایی خاص را مورد بررسی قرار می دهد . بدین ترتیب در ترمودینامیک با یک سری قواعد اصالتاً علمی مواجهیم که ضمن علمی بودن ، نتایج و برداشتهای فلسفی با اهمیتی را نیز در بر می گیرد.

1.1 تکامل منطقی قوانین ترمودینامیک

ترمودینامیک در قالب چهار قانون بنیادی ارائه می شود و در نامگذاری این چهار قانون نوعی روند تکاملی لحاظ شده است.
قانون صفرم ترمودینامیک : هر دو جسم که با جسم سومی دارای تساوی درجه حرارت باشند آن دو جسم نیزبا هم تساوی حرارت دارند .
قانون اول ترمودینامیک : برای هر سیستم در حال پیمودن یک سیکل ، انتگرال سیکلی حرارت متناسب با انتگرال سیکلی کار می باشد.(قانون بقای انرژی)
قانون دوم ترمودینامیک : غیرممکن است وسیله ای بسازیم که در یک سیکل عمل کند وتنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به گرمتر باشد.
قانون سوم ترمودینامیک : این قانون بیان می‌کند که ممکن نیست از طریق یک سلسله فرایند متناهی به صفر مطلق دست یافت. به عبارتی رسیدن به صفر مطلق محال است.
قانون صفرم ترمودینامیک منطقاً بدیهی به نظر می رسد.اگر چه که تجربه پذیر است و می توان صحت و اعتبار آن را آزمایش کرد.این قانون اساس اندازه گیری درجه حرارت است و نمی توان آن را از سایر قوانین نتیجه گرفت. قانون صفرم ترمودینامیک از این رو قبل از قوانین اول و دوم می آید که برای بیان سایر قوانین ترمودینامیک به مقیاسی برای ادوات اندازه گیری درجه حرارت نیاز است. بدین ترتیب اعدادی را روی دماسنج قرار داده و گفته می شود جسم دارای درجه حرارتی است که روی دماسنج قرائت می شود. بنا براین منطقی است که این قانون قبل از سایر قوانین ترمودینامیک ارائه شود . مطابق با این قانون اندازه گیری درجه حرارت یک پایه منطقی پیدا می کند و در ادامه می توانیم سایر قوانین بنیادی ترمودینامیک را با اتکا به این پایه منطقی بیان کنیم. قانون اول ترمودینامیک بیانگر این مطلب است که در یک سیکل ترمودینامیکی مقدار حرارت منتقل شده از سیستم برابر با مقدار کار انجام شده بر سیستم می باشد. در عین حال این قانون هیچ محدودیتی برای جهت جریان حرارت و کار ایجاد نمی کند . این محدودیت در قالب قانون دوم بیان میشود.
قانون دوم ترمودینامیک بیان می دارد که یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش می رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نیست. " متناقض نبودن یک سیکل با قانون اول دلیلی بر این نیست که آن سیکل حتماً اتفاق می افتد.این نوع مشاهدات تجربی منجر به تنظیم قانون دوم ترمودینامیک می شود. پس فقط آن سیکلی قابل وقوع است که با قوانین اول و دوم ترمودینامیک همخوانی داشته باشد." [2] پس واضح به نظر می رسد که قانون دوم بیان یک توضیح تکمیلی از قانون اول است که قید مجاز نبودن به هر جهت دلخواه برای کار و حرارت را بر آن می نهد. از این رو در روند تکامل منطقی قوانین ترمودینامیک پس از قانون اول بیان می شود. " در کاربرد قانون دوم دانستن مقدار مطلق آنتروپی ضروری می شود و همین مساله منجر به تنظیم قانون سوم ترمودینامیک می گردد." بنابراین مشاهده شد که قوانین ترمودینامیک در یک سیر تکامل منطقی در امتداد یکدیگر بیان می شوند. قانون اول پایه ی منطقی اندازه گیری درجه حرارت را می دهد. قانون اول منجر به بیان قانون دوم شده وقانون دوم نیز به بیان قانون سوم ترمودینامیک می انجامد.

2.1 تحلیل منطقی از قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک را اغلب قانون بقای انرژی می نامند . این قانون بیان می دارد که در یک سیکل ترمودینامیکی ، انتگرال سیکلی حرارت برابر با انتگرال سیکلی کار می باشد. قانون اول متضمن مفهوم انرژی است.مفهوم بنیادی انرژی در کاربردهای روزمره آشنا و ملموس است و یک درک عمومی از کلمه انرژی وجود دارد. از نقطه نظر ماکروسکوپیک تنها به صورتی از انرژی توجه داریم که به شکل حرارت منتقل می شود. در حالیکه در ترمودینامیک آماری ، دیدگاه ما راجع به خواص ماکروسکوپیک تنها یک ارزیابی آماری از خواص میکروسکوپیک هستند. "قوانین ترمودینامیک را می شود به آسانی از اصول مکانیک آماری بدست آورد و آنها در واقع بیان ناقصی از همین اصول اند... در موارد ساده شده ایده آل می توان از پس محاسبات پیچیده اصول مکانیک آماری برآمد و به قانونی با صحت اساساً نامحدود رسید."[3] بنابراین به نظر می رسد مفهوم بنیادی انرژی یک تحلیل نوعاً آماری در رفتار مکانیکی مجموعه بسیار بزرگی از اتمهاست. " برای تشریح کامل رفتار سیستم از دیدگاه میکروسکوپیک لزوما با حد اقل 20^10×6 معادله سر وکار خواهیم داشت. حتی با یک کامپیوتر بزرگ نیز انجام چنین محاسباتی کاملا خستگی آور و ناامید کننده است. با این وجود دو روش برای کاهش تعداد معادلات و متغیرها تا حد پذیرفتنی وجود دارد...یکی از این راهها روش آماری است که بر اساس نظریه های آمار و احتمال مقادیر متوسط را برای همه ذرات سیستم در نظر می گیریم ... راه حل دوم برای کاهش تعداد متغیرها دیدگاههای ماکروسکوپیک ترمودینامیک کلاسیک میباشد همانگونه که از کلمه ماکروسکوپیک استنباط می شود اثرات کلی تعدادی مولکول را مورد توجه قرار می دهیم." [2]چون ما مرتباً ازعبارت انرژی استفاده میکنیم و آن را به پدیده هایی که می بینیم نسبت می دهیم کلمه انرژی مفهومی خاص در ذهن ما یافته است و وسیله ای موثر برای بیان افکار و ایجاد رابطه شده است. انرژی از مفاهیم مجردی است که انسان برای برخی مشاهدات خود آن را ابداع کرده است. زمانی که از انرژی صحبت می کنیم یک ادراک کلی را در نظر داریم که مستقل از تحلیلهای آماری است. به بیان دیگر دیدگاه ما نسبت به انرژی به گونه کاملا محرزی مستقل از این مسأله است که تعبیر ماکروسکوپیک آن، بواسطه کاربرد آمار در رفتار تعدادی مولکول بدست آمده است. در ترمودینامیک کلاسیک برای اینکه نشان داده شود انرژی یک خاصیت ترمودینامیکی است به نوعی با مفاهیم عاری از معانی ملموس روبرو هستیم. بدین معنی که Q, Wو , Eتحت قواعد ریاضی و جبری قرار می گیرد و از آن نتایجی عام و کلی استحصال می شود. گویی که می شد همین اعمال ریاضی را روی, Y,X Z انجام داد.
در ترمودینامیک, کار وحرارت تحت عنوان انرژی در حال گذار از مرزسیستم تعریف می شود. با این وصف مفهوم انرژی باید یک اصل موضوعه و به طور ضمنی تعریف شده باشد." تعریف صریح همه اصطلاحات فنی یک مبحث همان قدر غیر ممکن است که اثبات کلیه احکام آن, زیرا که یک اصطلاح فنی را باید به کمک سایر اصطلاحات فنی تعریف کرد و این اصطلاحات را توسط اصطلاحات دیگر و قس علی هذا, به منظور رفع این مشکل و برای احتراز از دوری(11) بودن در تعریف اصطلاح x به کمک اصطلاح y , و سپس تعریف اصطلاح y به کمک اصطلاح x , مجبوریم که در مقدمه مبحث مورد نظر, مجموعه ای ازاصطلاحات اولیه یا اساسی را در نظر بگیریم و معانی آنها را مورد پرسش قرار ندهیم. تمام اصطلاحات فنی دیگر مبحث را مآلاً باید به کمک این اصطلاحات اولیه تعریف کرد . [4]"
از این روبرای پرهیز از دوری بودن, تعریف انرژی باید مستقل از کار وحرارت باشد ویا بالعکس. یا اینکه انرژی یک اصل موضوعه قلمداد شود و هیچ تعریفی هم برای آن ارائه نگردد.

شکل2.1
قانون اول ترمودینامیک بیان می دارد که: W δ ∫ = Q δ ∫
اگر سیستم دستخوش تحولات یک سیکل باشد و طی فرایند A از حالت 1 به 2 تغییر یافته و سپس طی فرایند B از حالت 2 به حالت 1 بازگشت کند:

آنگاه نشان داده می شود که چون Bو Aنمایانگر هر فرایند دلخواهی بین 1 و 2 هستند پس مقدار (δW – δQ) برای هر فرایند انجام شده یکسان خواهد بود. بنابراین مقدار( δW_δQ ) تنها بستگی به حالات اولیه و نهایی دارد و ارتباطی به مسیر طی شده نخواهد داشت.می توان استنباط کرد که مقدار فوق یک تابع نقطه ای و بنابراین دیفرانسیلی از یک خاصیت جرم کنترل است. از این رو قانون اول ترمودینامیک منجر به تنظیم خاصیتی شده که انرژی نامیده می شود.اما این نتیجه گیری شبهه دوری بودن را در انرژی کار و حرارت ایجاد می کند. از طرفی کار وحرارت تحت عنوان انرژی در حال گذار از مرز سیستم تعریف می شوند و از سوی دیگر وجود خاصیتی به نام انرژی از قانون اول ترمودینامیک و بر مبنای تعاریف کار و حرارت استنتاج می شود. برای پرهیز از دوری بودن یا باید کار وحرارت را مستقل از انرژی تعریف کنیم و یا انرژی را مستقل از کار و حرارت. به هر حال باید یک تفسیر بنیادی وجود داشته باشد. انرژی نمی تواند یک بدیهی اولیه بدون نیاز به تعریف باشد. به نظر می رسد این استنتاج یک تفسیر دوری است. اما چطور ممکن است؟ پاسخ اینجاست که وقتی کار و حرارت را نوعاً تحت مبنای انرژی تعریف می کنیم, ناخواسته انرژی را بعنوان تفسیر نهایی کار و حرارت در نظر گرفته ایم.
" عقیده به تفسیرهای نهایی باطل است و هر تفسیری را می توان بوسیله تئوری یا تخمینی با کلیتی بیشتر, باز هم تفسیر نمود.هیچ تفسیری نمی تواند وجود داشته باشد که خود محتاج تفسیری دیگر نباشد"[1] بنابراین انرژی تفسیر نهایی کار وحرارت نیست بلکه تنها یک پایه تفسیر رضایت بخش برای این مفاهیم می باشد. " یک سلسله علل منتهی به علت العلل (تفسیر نهایی) میشود زیرا که تسلسل باطل است و در عین حال منتهی به علت العلل نمیشود زیرا علتی که خود معلول نباشد متصور نیست." [5] از این رو دلیل دوری به نظر رسیدن تعاریف انرژی , کار و حرارت این مغالطه است که انرژی را بعنوان تفسیر نهایی کار و حرارت در نظر گرفته ایم. همانگونه که گفته شد عقیده به تفسیر نهایی باطل است و در اینجا نیز باید انرژی را یک تفسیر رضایت بخش از کار وحرارت بدانیم و نه تفسیر نهایی آنها. و این همان تمسک به طبائع _اسانسیالیسم_(12) کارل پوپر(13) است که می گوید: تفاسیر نهایی امور و حوادث بر حسب طبائع اشیا است. درست نظیر آنچه در تحلیل قانون اول ترمودینامیک با آن مواجه شدیم اگر انرژی را تفسیر نهایی کار و حرارت بدانیم آنگاه انرژی به وضوح یک تفسیر ad hoc خواهد بود. " قضایایی که به طور موضعی و به صورت وصله ای یا تبصره ای به کار می روند تا یک امر مبهم و بی تفسیر را ظاهراًًً تفسیر کنند ad hoc نام دارند... فرض کنید ά, تفسیر شده ای است که صحت آن مسلم است از آنجا که ά را بداهتاً می توان از خود ά استنباط نمود بنابر این همیشه امکان دارد که ά را بعنوان تفسیر خودش عرضه نماییم. اما با وجود اینکه در اینگونه موارد , صحت مفسر(تفسیر کننده) محقق است و تفسیر شده نیز منطقاً از آن استنتاج می شود ,این تفسیر , تفسیری است بسیار نارضایت بخش و لذا ما باید تفاسیری از این قبیل را به دلیل دوری بودن غیرقابل قبول بدانیم."[1] تفسیر کار و حرارت بر پایه انرژی تفسیری تقریباً دوری است. منتهی دلیلی بر این هم نیست که اقناع کننده نباشد. تفاسیر نارضایت بخش, تفاسیری هستند که کاملاً دوری باشند و از این رو منطقاً باطل و غیر قابل قبول اند. اما تفاسیری که تا حدی دوری هستند و در عین حال رضایت بخش و قانع کننده عموماً تفاسیری هستند که قرائن مستقل در ﺘﺄیید آن موجود باشند. بعبارت دیگر تفسیرکننده باید بطور مستقل آزمایش پذیر باشد و این آزمایش مستقل هرچه دشوارتر باشد, تفسیر کننده مقنع تراست... برای اینکه مفسرها ad hoc نباشند باید از لحاظ محتوا غنی و دارای یک رشته نتایج آزمایش پذیر باشند. "تنها وقتی می توانیم در تحقق بخشیدن به تفاسیر مستقل و غیر ad hoc گامی به جلو برداریم که در تفسیر خود استفاده از قضایای کلی یا قوانین طبیعت را به انضمام قضایایی که مبین شرایط خاص(14) تجربه اند شرط کنیم, زیرا قوانین کلی طبیعت می توانند قضایایی باشند با محتوای غنی آنگونه که در همه جا و در همه وقت به طور مستقل آزمایش پذیر باشند و لذا اگر بعنوان تفسیر مورد استفاده قرار بگیرند احتمال دارد که ad hoc نباشند."[1] با این اوصاف آنچه در تحلیل منطقی قانون اول ترمودینامیک به رغم تفسیر تقریباً دوری آن اهمیت دارد درجه اقناع کنندگی این قانون می باشد. همانگونه که ذکر شد اقناع کنندگی یک تفسیر به درجه آزمایش پذیری آن بستگی دارد. قانون اول ترمودینامیک نیز به همین دلیل تفسیری قانع کننده و رضایت بخش میباشد. " آزمایشات گوناگونی که صورت گرفته به طور مستقیم یا غیر مستقیم, ﻤﺆید قانون اول بوده است. عدم صحت این قانون تا به حال ثابت نشده است" [2]

2.2 نتایج فلسفی قانون اول ترمودینامیک

اینکه قانون اول ترمودینامیک توصیف یک امر ذاتی و حقیقت فی نفسه است یا صرفاً یک مدل ذهنی , اساساً یک پرسش فلسفی است. جان لاک (1704_1632) بیان می کرد که "تمام معلومات ما از طریق تجربه و حواس بدست می آید و آنچه نخست به حس در نیاید در ذهن وجود ندارد".[5] اما امانوئل کانت در کتاب نقد عقل محض (15) میگوید: همه معلومات ما از راه محسوسات نیست. تجربه به هیچ عنوان تنها راه درک وعلم نیست. تجربه فقط ما را به _آنچه هست_ راهنمایی می کند نه به آنچه_ باید چنین باشد_ و دست آخر نتیجه می گیرد که از تجربه, حقایق کلی به دست نمی آید. یعنی حقایق ,بدون توجه به تجربه ما واقعیت دارند و حتی این واقعیت پیش از تجربه(16) هم وجود داشته است.
" طبق نظریه پوپر, تئوریها هرگز انعکاس عینیت نیستند بلکه بسیار به مدلهای ذهنی کانت شباهت دارند."[6] از دیدگاه پیر دوئم (17) قوانینی نظیر قانون اول ترمودینامیک نه تفسیرهای متافیزیکی هستند و نه مجموعه ای از قوانین که صحتشان از طریق تجربه و استقراء به ثبوت رسیده باشد, " این تئوریها بناهایی مصنوع هستند که به کمک کمیات ریاضی ساخته شده اند ونسبت این کمیات با مفاهیم مجردی که از تجربه برمی خیزند مانند نسبت علامت به ذی العلامه است... این تئوریها با دقت جبری- ریاضی قابلیت گسترش دارند, چون به تقلید از جبر, این تئوریها را می توان با ترکیب کمیاتی که ما به روش خاص خودمان آراسته ایم, بنا کرد."[1] مساله دیگر این است که ما معادلاتی را با مشاهدات تجربی استخراج کرده و اینک از همان معادلات برای توصیف پدیده مورد نظر استفاده می کنیم. درست مثل اینکه اصطلاح نارنج را با مشاهده میوه نارنج ابداع کرده ایم آنگاه اگر از ما بخواهند که رنگ میوه نارنج را توصیف کنیم خواهیم گفت نارنجی!
حال آنکه این تفاسیر بوضوح ad hoc می باشند. البته طبیعی است که اینگونه باشد و ما همیشه در تفسیر رفتار وعملکرد یک شیء خاص, تنها چیزی را که بررسی می کنیم اوصاف ذاتی و لاینفک همان شیء خاص است. معادلات ریاضی با مشاهده رفتار سیستم استخراج شده و تنها بواسطه آن است که می توان رفتار سیستم را تعبیر نمود.

2.3 آیا می توان امتناع رفتار آزاد را از قانون اول استنتاج کرد؟

آیا معادلات بر پدیده ها ارجح هستند؟ پیر دوئم استدلال می کند که اینگونه نیست. به اعتقاد دوئم , معادلات از ابتدا وجود نداشته اند و آنها با مشاهده یک نظم عمومی در رفتار سیستم استخراج و تنظیم شده اند. بنابراین لایتغیر بودن این معادلات فقط به دلیل انطباق آنها با پدیده ها در همه زمانهاست و این مساله گواهی بر محال بودن ارادهء آزاد نیست. هرگز نمی توانیم ثابت و همیشگی بودن معادلات را دلیل بر این بگیریم که قوانین عینی مطلقاً جبری هستند. بدین ترتیب قانون اول ترمودینامیک نیز فقط معادله ای است که از مشاهدات تجربی تصویرسازی شده و هرگز منجر به این استنتاج نخواهد شد که قوانین و واقعیات عینی نیز لایتغیر خواهند بود. اصل بقای انرژی حکمی عام و مسلم درباره اعیان موجود خارجی نیست. بلکه یک فرمول ریاضی است که به فرمان آزادانه ذهن ما ساخته شده است تا همراه با فرمولهای دیگر که به همین نحو ساخته می شود ما را مجاز و قادر بدارد تا از آنها نتایجی را استنتاج بکنیم که به خوبی و درستی بر قوانین مکشوف آزمایشگاهی انطباق یابند وازآنها حکایت کنند." نه فرمول بقای انرژی و نه سایرفرمولهایی که با آن همراه میکنیم هیچکدام را نمیتوان گفت درست یا نادرستند. چرا که احکامی درباره واقعیات عینی نیستند. آیا امتناع رفتار مختارانه جزو لوازم اصل بقای انرژی است یا نه؟ و اینجا باید گفت اصل بقای انرژی هیچ نتیجه عینی و خارجی در بر ندارد. چگونه می توان از اصل بقای انرژی و اصول مشابه آن این نتیجه را استنتاج کرد که ارادهء آزاد محال است؟ به خاطر
می آوریم که این اصول گوناگون معادل دستگاهی از معادلات دیفرانسیل اند که بر تغییرات حالات اجسام تابع آنها حاکمند. نتیجه این می شود که در میان این اجسام هیچ حرکت آزادی نمی تواند به وجود آید. حال می پرسیم ارزش این استدلال چقدر است؟
ما این معادلات دیفرانسیل را و یا اصولی را که صورت اصلی آنها هستند برگرفتیم چون که می خواستیم تصویری ریاضی از گروهی از پدیده ها داشته باشیم. برای نمایش این پدیده ها به کمک دستگاهی از معادلات دیفرانسیل, پیشاپیش مفروض گرفتیم که آن پدیده ها تابع جبر مطلق اند." با توجه به دیدگاه دوئم درمی یابیم که ما در ساختن یک مدل و تصویر ریاضی بر اثر مشاهدهء تجربی یک پدیده, فرض را بر نوشتن معادله ای گذاشتیم که ابدی و پایدار است. یعنی از قبل مطمئن بوده ایم که جایی برای ارادهء آزاد در این طبقه بندی باقی نیست. با این وصف واضح است که از لایتغیر بودن معادله نمی توان به لایتغیر بودن واقعیت عینی حکم داد.همانطور که در مثالی گفتم ما از این رو نارنجی را به عنوان یک توصیف پایدار از یک رنگ می شناسیم که از پیش یقین داریم رنگ میوهء نارنج همیشه و در همه زمانها بدون تغییر خواهد بود. و با همین پیش فرض است که می توانیم اصطلاح نارنجی را به هر جسم همرنگ با میوه نارنج اطلاق کنیم. و به همین دلیل هم هست فی المثل رنگی به نام (کتابی) نداریم. زیرا که پیشاپیش می دانیم رنگ کتابها همیشه یکجور نیست. از این رو نباید تصور کنیم که یک معادله, طبیعت و پدیده ها را ملزم به تابعیت از خود می کند. معادلهء قانون اول ترمودینامیک پدیده ها را تابع یک جبر مطلق العنان نمی کند بلکه فقط تصویری ذهنی یا مدلی ریاضی است. حتی اگر حقیقت عینی پدیده, ثابت و پایدار هم باشد این امر را نمی توانیم از لایتغیر و پایدار بودن مدل ریاضی آن پدیده استنتاج بکنیم.

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.
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 اتفاقییک جهان منظم ایجاد شده باشد فوق العاده کم است. پس باید خالقیباشد 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.

چند مغالطه در استنتاج امتناع حیات جاودانه جهان

اما استدلال کسانی که مرگ جهان و رسیدن آن به حداکثر آنتروپی را از اصل افزایش آنتروپی استنتاج کرده اند در برگیرندهء چند مغالطهء آشکار است. اولین آن مغالطه" تعویض وجه با کنه" یا "چهره با کل" (مغالطهء هیچ نیست بجز,nothing but) است. بدین معنی که گفته نمی شود کدام وجه جهان در جهت نابودی و فروپاشی پیش می رود. و مثلاً آیا این امر برای وجوه دیگر جهان مثلا تنوع گونه های زیستی هم صادق است یا خیر. آیا کل جهان را می توان بعنوان یک سیستم در نظر گرفت ؟آیا مجموعه همه سیستمها خود یک سیستم است؟ (می دانیم که چنین نیست مثلا مجموعه چند حرف کنار یکدیگر, دیگر حرف نیست بلکه کلمه است). چگونه می توانیم همان قواعدی را که برای اجزا به کار می بریم برای کل نیزاستفاده کنیم؟ آیا مجاز به چنین استنتاجی از مشاهده وضع کنونی جهان و اصل افزایش آنتروپی میباشیم؟ قطعاً پاسخ به چنین پیشگویی قاطعانه ای از فرجام جهان, منفی است. در چنین جهانی هیچ جایی برای ارادهء آزاد باقی نمیماند و هر چیزی از پیش تعیین شده خواهد بود. اما در نظر گرفتن مساله فوق با همان مغالطه تعویض وجه با کنه نیز "مستلزم این نخواهد بود که مقدار آنتروپی هیچگونه حد کمترین یا بیشترینی داشته باشد و مقدار آنتروپی می تواند تا بی نهایت ادامه پیدا کند و هیچ مقدار حداکثری هم نداشته باشد" با این تفاسیر ,استنتاج امتناع حیات جاودانه برای کل جهان ازاصلافزایش آنتروپی غیرقابل قبول است. پیر دوئم(Pierre duhem) میگوید:" ما ترمودینامیکی در اختیار داریم که عده ای از قوانین تجربی را به خوبی حکایت می کند و به ما می گوید که آنتروپی یک سیستم ایزوله در افزایش جاودانه است. بدون هیچ دشواری می توان ترمودینامیک دیگری ساخت که به همان خوبی ترمودینامیک قدیم, حاکی از قوانین تجربی معلوم شده تا حال باشد و پیش بینی هایش هم برای ده هزار سال آینده با پیشگویی های ترمودینامیک قدیم همگام و موافق باشد. و در عین حال این ترمودینامیک نوین ممکن است به ما بگوید که آنتروپی جهان پس از اینکه ظرف صد ملیون سال آینده افزایش می یابد برای صد ملیون سال بعد ازآن مرتباً و متوالیاً کاهش خواهد یافت و سپس دوباره افزایش خواهد یافت و... , علم تجربی به مقتضای طبع از پیش بینی انتهای جهان و ادعا درباره فعالیت دائم آن عاجز است" ثانیاً برای یک پیشگویی علمی همواره برای حصول نتیجه باید یک قانون کلی داشته باشیم به اضافه قضایای مخصوصه که این دو در کنار یکدیگر, مقدمات تفسیر را شکل می دهند." درهر تفسیر قیاسی وجود یک قانون کلی به انضمام شرایط خاص حادثه ضروریست. بعبارت دیگراستنتاجنتیجه از یک تک مقدمه غیرممکن است"از قانون دوم ترمودینامیک و به تبع آن از اصل افزایش آنتروپی, نمی توان رسیدن کل جهان را به حالت ماکزیمم بی نظمی را استنتاج نمود به این دلیل که شرایط خاص حادثه(Initial conditions) را در دست نداریم وبدون هیچگونه مدرک مستدلی, آن را معلوم فرض کرده ایم . در ثانی پیشاپیش فرض کرده ایم که همه تجربیات آینده از مشاهدات ترمودینامیکی به همین صورت کنونی باقی خواهد ماند و آنگاه این موضوع را که اصل افزایش آنتروپی به مرگ جهان می انجامد, پیش بینی کرده ایم. بنابراین مقدمات تفسیر,ناقص هستند.از این رو طرح این مساله که از قانون دوم ترمودینامیک, امتناع حیات جاودانه جهان استنتاج می شود چند ایراد منطقی از جمله مغالطه تعویض وجه با کنه, و پیش فرضهای تجربه ناپذیر را در بر می گیرد

نامساوی کلازیوس وقانون دوم ترمودینامیک
ترمودینامیک و پراگماتیسم THERMODYNAMICS & PRAGMATISM

در این بخش نشان داده می شود که مباحث مرتبط با ترمودینامیک مهندسی, اساساً بر بر پایهء دیدگاههای مسلک اصا لت عمل (پراگماتیسم) بنا شده اند.
آیا سیکل کارنو صرفاً مدلی ذهنی است و الی الابد هیچ نتیجهء عرضی دربر نخواهد داشت؟ آیا دستیابی به کارایی صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک است؟ در این نوشتار, پرسشهایی از این دست, تحلیل و بررسی می گردد.
پرسشهای فلسفی گسترده ای پیرامون ترمودینامیک وجود دارد که تحلیل آنها غالباً در حوزه مباحث فلسفهء علم جای می گیرد. ترمودینامیک ,آنجا که در قالب مسائل مطروحه مهندسی ارائه می گردد بیشتربه جنبه های عملگرایانه ودیدگاههای مبتنی برپراگماتیسم pragmatism)) می پردازد . بدین معنا که فلسفه های "کنه گرا" و اسکولاستیک (scholastic) که به ماهیات و هلیات می پردازند در ترمودینامیک مهندسی دیده نمیشوند. " فلسفهء پراگماتیسم, به جای آنکه مبدﺃ اصل فکر و عقیده ای را بپرسد از نتایج و ثمرات آن جویا می شود, لحن کلام را از مقولات و مبادی برمیگرداند و از عواقب و نتایج سوا ل می کند."[1]. در واقع پراگماتیسم,عطف نظر به عواقب و ثمرات و فوائد یک مبحث است. کلمه‌ پراگماتیسم (از کلمه یونانی پراگما به معنای عمل) را نخستین بار چارلز پیرس1914- 1839(Charles Pierce )در مقاله معروفش با عنوان "چگونه می‌توان افکار خود را روشن ساخت"، به کار برده است. پیرس دراین مقاله ثابت می‌کند که برای بررسی یک فکر, کافی است به تعیین رفتاری که این فکر برمی‌انگیزاند، بپردازیم. در حقیقت پراگماتیسم, فلسفه ای است تمام عیارعلیه ایده آلیسم و کاوشهای عقلانی محض که هیچ فایده ای برای انسان ندارد. پراگماتیسم قائل به این است که حقیقت, امر جدایی از انسان نیست؛ بلکه تنها دلیل برای اینکه یک نظر درست یا حقیقی باشد و نظر دیگری باطل و خطا، این است که اولی در عمل به درد انسان بخورد و برای او کارآمد و موثر باشد و دیگری چنین نباشد. به این ترتیب، معنای صدق قضیه در پراگماتیسم تغییر می یابد . صدق هر گزاره، فقط توسط نتایج عملی آن سنجیده می شود نه در مقایسه با واقعیت خارجی .از این منظر, یک فکر یا عقیده تا وقتی که فقط عقیده است، بخودی خود نه صحیح است و نه غلط؛ بلکه فقط در جریان آزمایش و کار برد عملی آن , و فقط برحسب نتایجی که از آن استحصال میشود، ارزش صدق و کذب پیدا می کند. بنابر این امکان رسیدن به حقیقت مطلق منتفی است. زیرا هم علم ، و هم مسائل و مشکلات ما همواره در حال تغییر است, پس در هر مرحله، حقیقت، آن چیزی خواهد بود که ما را قادر سازد تا به نحو رضایت بخش، مسائل و مشکلات جاری آن زمان را بررسی و حل کنیم .در مکتب پراگماتیسم، افکار و عقاید همچون ابزارهایی هستند برای حل مسائل و مشکلات بشر؛ تا زمانی که اثر مفیدی دارند، صحیح و حقیقی اند و پس از آن خطا و نادرست می شوند. بدین ترتیب , ممکن است عقیده ای طی مدتی موثرواقع شود و از این رو حقیقی باشد؛ لیکن ممکن است بعدها نتایج رضایت بخشی نداشته باشد و به نظریه ای باطل و خطا تبدیل گردد. پراگماتیسم ,وجود را منوط به نتیجه می داند و هر اصالتی را بر حسب نتیجه ای که می دهد ارزش گذاری می کند . در حقیقت, پراگماتیسم وجود را بدون نتیجه ، عدم میداند و حتی لزوم بررسی هم برای آن قائل نمی شود. ایده آ ل سازی در محاسبات ترمودینامیکی , گواهی بر این مساله است که ترمودینامیک مهندسی برپایه دیدگاههای پراگماتیستی قرار دارد. چرا که اغلب, جنبه های عملی موضوعات را در نظر می گیرد و دیدگاههای اسکولاستیک به معنای جستجوی علت العلل درآن راهی ندارند. زمانیکه مدلهای ذهنی اصطلاحاً غیرممکن در ترمودینامیک مهندسی طرح می گردد بیشتر عطف به موضوع صرفه اقتصادی یا محدودیت ابزار می شود و سخنی از عدم امکان مطلق آنها به میان نمی آید. بعبارت دیگر تعبیری که از اصطلاح "غیر ممکن" مد نظر است نوعاً متفاوت با مساله محالات ذاتی یا وقوعی assertoric است.

امکان و تحقق سیکل کارنو

در این بخش به بررسی مساله امکان (possibility) و یا تحقق سیکل کارنو و بعبارتی به تحلیل برهان وجودی( (ontological proof سیکل کارنو می پردازیم . آیا مفهومی به نام سیکل کارنو وجود (existence) دارد یا اینکه این مدل , صرفاً یک تصوریا تخیل (imagination) در ذهن انسان است؟ اصطلاح وجود داشتن در اینجا قدری محل مناقشه است. چرا که تصور چیزی( یا امری) یا حتی تصور خصوصیاتی برای چیزی، منجر به ضرورت (necessity) وجود آن نمیشود. آنچه که بر وجود دلالت می کند تجربهء خصوصیات معینی از آن چیز است که منجر به ضرورت و ایجاب (affirmative) وجود میشود. وجود درخود، دارای نوعی تمامیت ( (totalityاست , اما تمامیت آن نزد ما آشکار نیست و البته همین دال بر وجود آن است. استقلال و خودایستایی وجود، امری اساسی است. اگرچنین نباشد، امرموجود، ثانوی وعَرَضی ((accidental است. برای تحلیل این پرسش که آیا سیکل کارنو یک چیز موجود است یا خیر باید به تبیین مساله وجود بپردازیم. برای وجود سه خاصه مطرح می گردد که عبارت اند از:
الف) دگرگونی و تغییر(becoming)
ب) اثرگذاری و اثرپذیری (interaction)
ج) خودایستایی و خوداتکایی
هرقدر برتری امری از نظر ماهیت، بیشتر باشد، آنگاه احتمال و امکان وقوع یا بالفعل (actual) بودن و واقعیت داشتن آنreality)) به همان میزان کمتر است. باید دقت کرد که وجود، یک صفت و یا به بیان دیگر, یک محمول (predicate) حقیقی نیست. آیا مدل ایده آل سیکل کارنو موجودی است واجد همه صفات ایجابی واساساً هیچ ما به ازاء واقعی می تواند داشته باشد؟ باید گفت فقط وجود عینی و حاضر در جهان، بالضروره هست و انکار وجود آن نیز مستلزم تناقض ؛ اگر موجودی عینیت داشته باشد، وجود برای آن ضرورت است.البته امانوئل کانت, ثابت می کند که مفهوم "موجودی که بالضروره وجود دارد" وجود ندارد و بیان می دارد موجودی که انکار وجود آن مستلزم تناقض باشد، فاقد مفهوم است. مثلاً یکی از براهین کانت در این باب این است که گزاره ها propositions)) و قضایای theorems)) وجودی، ترکیبی (synthetic) هستند، نه تحلیلی ((analytic. بنابراین، انکارآنها منجر به تناقض نمی شود. اما درقضایای تحلیلی، محمول ازقبل در مفهوم ِ موضوع (subject) مندرج است، ازاینرو انکارآنها مستلزم تناقض است. در برهان آنسلم (Anselmus) که به برهان وجودی (ontological argument) معروف است میخوانیم " وجود عینی عالی تراز وجود ذهنی است، اما وجود ذهنی می تواند واجد خاصه های خیالی برتری باشد که وجود عینی فاقد آنهاست." به هر ترتیب , وجود ذهنی در مخیله می گنجد و می توان آن را تصور کرد. فی المثل کارایی صددرصد برای ما قابل تصور است و دست کم می توانیم بگوییم که در ذهن موجود است. اما کارایی بیش از صد در صد را حتی تصور هم نمی توان کرد. تصور صورت اعلای کارایی یک سیکل ترمودینامیکی در ذهن ما کارایی صددرصد است و بیش از آن, چه درذهن و چه خارج ازذهن، قابل تصورنیست. کارایی صد درصد هرچند ازنظرعینی, هیچ و عدم باشد ، لااقل قابل تصوراست. (اگرچه که ازوجود ذهنی چیزی یا امری, نمی توان وجود عینی آن را نتیجه گرفت). مفاهیمی هستند که حتی تصور هم نمی شوند. مثل کارایی بیشتر از صددرصد یا وجود عالی ترین موجود, مفهوم عالی ترین موجود حتی درذهن هم قابل تصورنیست، زیرا هرچه را درذهن تصورکنیم، بازهم عالی ترازآن را می توان تصور کرد. یا مثال دیگر اینکه هرقدرعدد بزرگی را تصورکنیم، بازهم عدد بزرگترازآن را می توان درنظر گرفت، اما عدد بی نهایت بزرگ یا بزرگترین عدد, وجود ندارد. این مفاهیم فاقد حد هستند و بنابراین, هم غیرقابل تصور و هم ازنظرعینی هیچ و عدم اند . مفاهیم این چنینی , از دسته موهومات و سفسطه ها ( (fallacyهستند. وقتی امری قابل درک یا تصور نباشد، قابل بیان هم نیست. شاید پرسیده شود پس جنبه های نامتناهی برخی از مفاهیم عینی، چگونه شکل می گیرند؟ در پاسخ باید گفت برداشتهای غیرقابل تصور از امور عینی , برخاسته ازشیوه برخورد یا نحوه تبیین ماست. هرامرعینی، اگرچه دریک یا چند جنبه، نامتناهی و غیرقابل تصور باشد، حداقل دریک یا چند جنبه، متناهی و قابل تصوراست واتفاقاً همین امر هم هست که آن را عینی و موجود می سازد برای مثال: عدد گنگِ(irrational number ) 2√ وقتی بصورت یک عدد اعشاری، یعنی ...4142135/1 بیان می شود، این رشته، نامتناهی وغیرقابل تصوراست، اما وقتی که تحت عنوان وتر یک مثلث قائم الزاویه ی متساوی الساقین که طول هرساقِ آن یک واحد است بیان شود، کاملاً قابل تصور وعینی می گردد. "هرچیزی که فکر درباره آن می اندیشد چه به طور واضح مستدل باشد و یا نباشد, یک واقعیت است. در عین حال که ممکن است باطل و کذب باشد و یا به وضوح مدلل, ولی همچنان یک واقعیت است... دربارهء Actuality باید گفت آیا Thing واقعیت دارد؟آیا حضورش یک واقعیت مسلم است؟ طبق فرهنگ لغات, واژهء Fact یعنی آنچه که عملاً و به عینیت اتفاق افتاده است" [6] مطابق آنچه که گفته شد سیکل کارنو نوعاً واقعی (real) است.
و دست کم وجود ذهنی آن را نمی توان انکار کرد. ضمن آنکه دانستیم هر واقعیتی، لزوماً عینی نیست؛ و همچنین بررسی کردیم که هرگاه امری, قابل فهم و درک و قابل توضیح و تصورنباشد، آن امراساساً وجود ندارد و بطور دقیق تر، واقعیت (reality) ندارد.

آیا دستیابی به کارایی صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک است؟

عوامل برگشت ناپذیری (Irreversibility) سبب اتلاف انرژی شده و دستیابی به کارایی صددرصد را ناممکن می کنند. ﺴﺆالی که منطقاً مطرح می گردد این است که اگر موتور حرارتی(Heat engine) با کارایی صددرصد عملی نیست حداکثر کارایی قابل حصول چقدر است؟ در پاسخ به این پرسش باید فرآیند ایده آل را تعریف کرد که فرآیند بازگشت پذیر (Reversible) نامیده می شود. فرایند بازگشت پذیر برای سیستم به صورت " فرآیندی که قابل بازگشت است و به گونه ای انجام می گیرد که هیچ گونه تغییری در سیستم یا محیط به جای نمی گذارد" [7] تعریف می گردد. از جمله عواملی که سبب بازگشت ناپذیری می شوند می توان چند عامل نظیر اصطکاک, انبساط آزاد, انتقال حرارت به دلیل اختلاف محدود درجه حرارت, اختلاط دو ماده مختلف, اثرات پسماند ,و اتلاف iR^2 در شبکه های الکتریکی و فرآیند احتراق را نام برد. اگر کارایی همه موتورهای حرارتی کمتر از %100 باشد در این صورت کاراترین سیکلی که در عمل می توان داشت چیست؟ چنین برداشتی دقیقاً بیانگروجود دیدگاههای مبتنی بر پراگماتیسم در ترمودینامیک مهندسی است. بر اساس این دیدگاه ,امید به ساخت و طراحی ماشین های حرکت دائم PMM و نیز بهره برداری صددرصد از موتورهای حرارتی بی فایده تلقی شده و به بیان دیگر از ما می خواهد که مناقشه بر سر کارایی صد درصد را اساسا ً کنار بگذاریم و در مقابل به آنچه عملاً میسر و در دسترس است بپردازیم تا بلکه برای ما دستاوردها و نتایج عملی سودمند داشته باشد. اگر همه فرآیندهای یک سیکل ترمودینامیکی بازگشت پذیر باشند کاراترین سیکلی که می تواند بین دو منبع درجه حرارت ثابت عمل کند سیکل کارنو(carnot) است. در این حالت, سیکل نیز بازگشت پذیر خواهد بود و از این رو چنانچه سیکل معکوس گردد موتور حرارتی تبدیل به یخچال خواهد شد. سیکل کارنو چهار فرآیند اساسی را در بر می گیرد که شامل دو فرآیند دما ثابت بازگشت پذیر و نیز دو فرآیند آدیاباتیک بازگشت پذیر (آیزنتروپیک) می باشد. دو قضیه درباره کارایی سیکل کارنو وجود دارد که نشان می دهد نمی توانیم موتور بازگشت ناپذیری داشته باشیم که کارایی آن از موتور بازگشت پذیری که بین همان دو منبع کار می کند بیشتر باشد. (چنین فرضی به نقض قانون دوم ترمودینامیک منجر خواهد شد). و قضیه دیگر بیان می دارد که همه موتورهایی که در سیکل کارنو بین دو منبع درجه حرارت ثابت عمل می کنند دارای کارایی یکسانی خواهند بود. در این مورد فرض می شود سیکل کارنویی وجود دارد که کارایی آن از سیکل کارنوی دیگری که بین همان دو منبع کار می کند بیشتر است و در نهایت این فرض اولیه نیز به نقض قانون دوم ترمودینامیک می انجامد. ضمن آنکه استدلال نوعاً درستی داشته ایم تنها نتیجه ممکن این خواهد بود که فرض اولیه نادرست بوده باشد. مغایرت فرآیندهای حقیقی با مدلهای ایده آل مربوط به عوامل برگشت ناپذیری است. بنابراین درمباحث ترمودینامیک مهندسی پذیرفته شده است که هرگز نمی توان بر عوامل برگشت ناپذیری غلبه کرد و از این رو دستیابی به کارایی صد در صد از اساس منتفی است. با این وصف سیکل کارنو صرفاً یک مدل ایده آل ذهنی است و تاکنون وجود عینی نداشته است. پس ترمودینامیک مهندسی تنها با سیکلهای مبنا سر و کار خواهد داشت و به "ملاحظاتی در مورد تعدیلات خاصی که هدف از آنها بهبود عملکرد در سیکلهای مبناست" می پردازد. نمونه هایی از این تعدیلات در راستای افزایش کارایی سیکلهای مبنا را می توانیم در تعبیه و طراحی ابزار و تجهیزاتی نظیر بازیاب ها و گرمکن آب تغذیه و … مشاهده کنیم. نیروگاه های ساده بخار در سیکل رنکین کار می کنند که کارایی آن از کارایی سیکل کارنو کمتر است. به دو دلیل سیکل رنکین یک سیکل مبناست. اول اینکه در فرآیند پمپ کردن سیکل کارنو سیال کاری در ناحیه دوفاز قرار دارد و ساختمان پمپی که بتواند مایع و بخار را دریافت و به صورت مایع اشباع تخلیه کند با مشکلات زیادی روبرو خواهد شد. ثانیاً در سیکل کارنو تمام انتقال حرارت باید در درجه حرارت ثابت انجام بگیرد.این بدان معنی است که حرارت باید به بخار در حال انبساط و تولید کار انتقال یابد که این چندان ممکن نیست.(اما در سیکل رنکین, بخار در فشار ثابت مافوق گرم می شود.)

بنابر این سیکل رنکین سیکل ایده آلی است که در عمل می توان تقریب زد. از این رو راهکارهایی اندیشیده می شود تا کارایی سیکل مبنای رنکین به کارایی مدل ایده آل کارنو نزدیک شود که از آن جمله می توان به ﺘﺄثیر متغیرهایی چون فشار و درجه حرارت اشاره کرد. در عین حال این تمهیدات هر یک محدودیت خاصی را نیز ایجاب می کنند. به عنوان مثال کاهش فشار کندانسور, افزایش فشار بویلر و مافوق گرم کردن بخار آب در بویلر که به افزایش کارایی سیکل رنکین می انجامند محدودیتهای زیادی را دربردارند. سایش تیغه های توربین, افزایش محتوی رطوبت و کیفیت بخار آب و ... از پیامدهای آن است. مدلهایی نظیر سیکل بازیاب ایده آل نیز به دلیل همین محدودیتهای ابزار عملی نیستند. کارایی سیکل بازیاب ایده آل دقیقاً برابر با کارایی سیکل کارنو است. اما موانعی بر سر تحقق آن وجود دارد. نخست آنکه "امکان انتقال حرارت لازم از بخار آب موجود در توربین به آب تغذیه وجود ندارد. دیگر اینکه به علت انتقال حرارت, محتوی رطوبت بخار خروجی از توربین به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت که می تواند به سایش تیغه های توربین منجر شود. " [7] برداشت بخار از دیگر تمهیداتی است که برای افزایش کارایی سیکل انجام می گیرد. اگر از تعداد زیادی مرحله برداشت بخار و گرمکن های آب تغذیه استفاده شود کارایی سیکل نزدیک به کارایی سیکل ایده آل بازیاب (معادل کارایی سیکل کارنو) خواهد شد. لیکن در نیروگاهها مراحل برداشت بخار به ندرت از پنج مرحله بیشتر می شود. " این کار در عمل از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست, زیرا صرفه جوییهای ناشی از افزایش کارایی به مراتب کمتر از آن است که هزینه تجهیزات اضافی (گرمکن آب تغذیه, لوله کشی و .. را جبران کند. " انجام این تمهیدات _بدون در نظر گرفتن صرفه اقتصادی_ ,استفاده از تعداد بسیار زیادی گرمکن حرارتی, در اختیار داشتن پمپی که هیچ الزامی بر مایع بودن فاز ورودی آن درکار نباشد و بتواند در ناحیه دو فاز عمل کند, بویلری که در سوپرهیت کردن بخار, محدودیت حرارتی نداشته باشد, شاید روزی دستیابی به کارایی صد در صد را ممکن کند. و باز هم شاید بتوان تصور کرد روزی با طراحی و تعبیه گریزگاههایی بتوان افتهای توربین, افتهای پمپ, افتهای چگالنده ,افتهای لوله کشی, که همه به نوعی بر اثر وجود عوامل بازگشت ناپذیری شکل می گیرند و سد راه افزایش کارایی میگردند, را جبران و عملاً بی اثر نمود, بی آنکه ناقض قانون دوم ترمودینامیک باشد, درست هماگونه که ﺘﺄثیر برخی از راهکارها را در افزایش کارایی مشاهده نمودیم. بنابراین دستیابی به کارایی صد درصد می تواند مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک نباشد و با واسطه و بدون نقض این قانون هم بتوان بر عوامل بازگشت ناپذیری غلبه کرد.

تکامل ترمودینامیکی

مبحث تکامل ترمودینامیکی بعنوان یک موضوع جدی در مکانیسم تکامل ٬ بخصوص تکامل شیمیایی تکامل مولکولی و تکامل انسانی همچنین فرآیندهای مرتبط با جریان حرارت انرژی گرمایی از خورشید مطرح است. از نقطه نظر ترمودینامیکی هر سیستم ترمودینامیکی شامل مجموعه ای از اتمها و مولکولها در واکنشهای گرمایی هسته ای ٬ واکنشهای احتراق و غیره تا رسیدن به تعادل گرمایی ادامه خواهد یافت. بر همین اساس ٬ تنوع گونه های حیات ٬ بر مبنای مجموعه ای از اتمها و مولکولها به لحاظ ساختاری می تواند با سیستم های ترمودینامیکی تبیین گردد.

مناقشه:

در این مبحث اگر عنوان گردد که هم سیستم های زنده و هم سیستم های غیر زنده از قوانین ترمودینامیک تبعیت می کنند دستاوردهای سالیان اخیر در باب تکامل شیمیایی حیات ٬ به چالش کشیده خواهد شد. این موضوع تحقیق ذیل عنوان "تکامل ترمودینامیکی" مورد بحث قرار می گیرد. دو مناقشه اصلی در تبیین ترمودینامیکی تکامل در این مبحث با این پرسش آغاز می گردد که کدام نوع از تعادل و کدام نوع سیستم جزئیات متناهی پروسه تکامل را بهتر تشریح می کند؟ در ترمودینامیک انواع گوناگونی از سیستمهای تعادلی وجود دارد. اعم از نامتعادل و نشان گذاری شده و همچنین انواع گوناگونی در تعریف سیستم وجود دارد. نظیر سیستم های باز ٬ بسته و نیز سیستمهای ایزوله. قوانینی که کمیتهای ماکروسکوپیک دخیل در فرآیندهای شامل گرما (مانند فشار ، حجم ، دما ، انرژی داخلی و آنتروپی) را به هم مربوط می‌کنند، اساس ترمودینامیک کلاسیک را تشکیل می‌دهند. اگر بتوانیم کمیتهای ماکروسکوپیکی را برحسب کمیتهای میکروسکوپیک تعریف کنیم، می‌توانیم ترمودینامیک را به صورت ریاضی و فرمول‌بندی به زبان مکانیک آماری بیان کنیم. در ترمودینامیک توجهمان به داخل سیستم معطوف می‌شود. دیدگاه ماکروسکوپیکی را اختیار می‌کنیم و بر آن دسته از کمیتهای ماکروسکوپیکی تاکید 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 ترمودینامیکی خوانده می‌شوند. مختصات ترمودینامیک برای تعیین انرژی داخلی سیستم بکار می‌آیند. در واقع هدف ترمودینامیک کلاسیک پیدا کردن روابط کلی بین این مختصات ترمودینامیکی است که با قوانین بنیادی ترمودینامیک سازگار باشند.

اساس مناقشه ای که مطرح شد به سخنرانی ایلیا پریگوگین ذیل عنوان "زمان٬ ساختار و نوسانات" در سال 1977 باز می گردد. پیش از این سخنرانی به طور کلی ترمودینامیک با مفاهیم کلاسیک تبیین می گردید که به طور بنیادین بر اساس تئوری کلاسیک ماشینهای بخار بیان می شد. وی سرانجام به بیان جنبه های مهم تکامل بر پایه ترمودینامیک پرداخت. ترمودینامیک کلاسیک در سال 1824 با انتشار مقاله سعدی کارنو شکل گرفت. پس از آن قانون اول و دوم ترمودینامیک توسط دانشمندانی نظیر هربرت اسپنسر در سال 1880 فرموله شد. بولتزمان پروسه تکامل را تبیین نمود. قوانین ترمودینامیک کلاسیک در سال 1824 بصورت منسجم بیان گردید
طبق گفته این دانشمندان مناقشه و جدل روی مسئلهء وجود٬ اساساً به جدل روی مسئلهء انرژی و بقای آن باز می گردد. برای مثال در یادداشتهای شخصی اسپنسر چنین آمده است: " پیکان تکامل٬ تغییر از گونه های پست تر به گونه های عالی تر به تبع تجمع و یکپارچگی ماده و اتلاف انرژی است" .
پریگوگین در سخنرانی و مقالاتی که در پی دریافت نوبل اش ارائه داد اساساً ساختارهای تعادلی را تعریف نمود که به چیزهایی نظیر کریستالها و موجودات غیر متحرک و به منظور تعریف ساختارهای نامتعادل نظیر جمعیت و همچنین موجودات متحرک اطلاق می گردند. وی سپس بیان نمود تا آن زمان در مطالعه تکامل از اصول مسلم و بنیادین ترمودینامیک کلاسیک استفاده نشده و تنها ترمودینامیک سیستمهای متعادل ٬ پدیده تکامل را تشریح نموده اند. این بیانات تا سالها بعد توسط دانشمندان بعنوان یک واقعیت پذیرفته شد.
پریگوگین در مقدمه آن مقاله و سخنرانی مشهور یادآوری می نماید که ترمودینامیک تعادل تنها بخش کوچکی از ترمودینامیک نظیر انرژی آزاد هلموتز و غیره سیستمهای با حجم و دمای ثابت را توصیف می کند:
F = U – TS
یا از قبیل انرژی آزاد گیبس سیستم های با فشار و حجم ثابت.
G = H – TS
آنگاه پریگوگین این پرسش را مطرح می نماید که " آیا غالب انواع ساختارهای پیرامون ما چنین طبیعتی دارند؟" پاسخ پریگوگین چنین است: خیر!
دلایل بی شماری وجود دارد که ببینیم پاسخ به این سوال منفی است. بدیهی است که در یک شهر و در یک سیستم زنده شاهد گونهء کاملاً متفاوتی از این نوع کارکرد هستیم. به منظور ارائه یک تئوری منسجم ترمودینامیکی برای ساختارهایی از این دست این الزام وجود دارد که نشان دهیم سیستمهای نامتعادل ممکن است در واقع موجد نظم باشند. بر اساس این فرض پریگوگین توضیحات خود را چنین ادامه
می دهد : فرایندهای بازگشت ناپذیر ممکن است به ظهور گونه های جدیدی از حالات دینامیک ماده منجر شود. حالتی که وی آن را dissipative structures یا ساختارهای اتلافی می نامد. علی ایحال بجاست که بگوییم تئوری ترمودینامیک غیر متعادل و ناپایدار به نسبت ترمودینامیک حالات متعادل ٬ تئوری منسجم تر و بعبارتی مستحکم تری است که در نهایت پدیده تکامل و تشکیل ساختارهای زنده را تشریح و تبیین می نماید. با به چالش کشیدن مبدعان ترمودینامیک کلاسیک توسط تئوری ساختارهای اتلافی پریگوگین طی سی سال گذشته اساساً این تئوری بعنوان یک تئوری مجزا از ترمودینامیک کلاسیک مطرح گردیده است.
از جمله نظرات موافق با تئوری غیر تعادلی فوق الذکر می توان به کتاب John Avery (منتشر شده در سال 2003) اشاره نمود که در جایی بیان می دارد:
انسجامی میان قانون دوم ترمودینامیک و پیچیدگی سیستمهای زنده پدید آمده که از مبحث انرژی آزاد گیبس منتج شده و می تواند به مکانیسم زیستی موجودات زنده نیز تعمیم داده شود.
منابع و مآخذ:
[1]تاريخ فلسفه/ جلد دوم/ پراگماتيسم/ زرياب خويي
[2] عينيت و واقعيت/اميل ميرسون Emil Meyerson / [3]ساختار انقلابهاي علمي/ توماس كوهن
[4] نسبيت خاص/ هادي هادي پور
Segments [5] Philosophical / Dr. F. Hamidi
[6]حقيقت و واقعيت/مناظرات كريشنا مورتي و دكتر بوهم
[7]ترموديناميك مهندسي/ زونتاگ بورگناك ون وايلن
به نقل از سي پي اچ تئوري
http://cph-theory.persiangig.com/
کانون دانش ( www.knowclub.com )
http://cph-theory.persiangig.ir/
http://cph-theory.persiangig.ir
http://cph-theory.persiangig.ir
http://cph-theory.persiangig.ir
References
■ Adkins, P. (1984). The Second Law. New York: Scientific American Books.
■ Avery, J. (2003). Information Theory and Evolution. New Jersey: World Scientific.
■ Bennett, C. H. (1990), July, Complexity, Entropy, and the Physics of Information. "How to Define Complexity in Physics, and Why." (pages: 137-148), Addison-Wesley, ISBN 0201515067, [PDF]
■ Bennett, C. H. (1985). Emerging Syntheses in Science. "Information, Dissipation, and the Definition of Organization", (pages: 297-313), Addison-Wesley, Reading, Massachusett, ISBN 0201156865, [PDF]
■ Gladyshev, G. (1987). Thermodynamic Theory of the Evolution of Living Beings. New York: Nova Science Publishers Inc. ISBN: 1560724579
■ Haynie, D. (2001). Biological Thermodynamics. (textbook). Cambridge: Cambridge University Press.
■ Perrot, P. (1998). A to Z of Thermodynamics (dictionary). New York: Oxford University Press.
■ Prigogine, I. (1984). Order out of Chaos. New York: Bantam Books.
■ Schneider, E. & Sagan, D. (2005). Into The Cool - Energy Flow, Thermodynamics, and Life. Chicago: University of Chicago Press.
■ Schrodinger, E. (1944). What is Life. Cambridge: Cambridge University Press.
/خ