معلومة

4.14: القانون الثاني للديناميكا الحرارية - علم الأحياء

4.14: القانون الثاني للديناميكا الحرارية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، لأن بعض الطاقة تُفقد في صورة غير صالحة للاستعمال.

مفهوم مهم في الأنظمة الفيزيائية هو مفهوم النظام والاضطراب (المعروف أيضًا باسم العشوائية). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا المرتفعة تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة (الشكل 1). لفهم الكون بشكل أفضل ، فكر في غرفة نوم الطالب. إذا لم يتم وضع أي طاقة أو عمل فيه ، فستصبح الغرفة فوضوية بسرعة. سيكون موجودًا في حالة مضطربة للغاية ، حالة انتروبيا عالية. يجب وضع الطاقة في النظام ، في شكل قيام الطالب بالعمل ووضع كل شيء بعيدًا ، من أجل إعادة الغرفة إلى حالة النظافة والنظام. هذه الحالة هي حالة ذات إنتروبيا منخفضة. وبالمثل ، يجب صيانة السيارة أو المنزل باستمرار مع العمل من أجل إبقائه في حالة منظمة. إذا تُركت بمفردها ، فإن إنتروبيا المنزل أو السيارة تزداد تدريجياً من خلال الصدأ والتدهور. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على كميات متفاوتة من الانتروبيا أيضًا. على سبيل المثال ، عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى حالة من التوازن ، تزداد الإنتروبيا ، وعندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر ، تزداد الإنتروبيا أيضًا.

جربها بنفسك

قم بإعداد تجربة بسيطة لفهم كيفية نقل الطاقة وكيفية حدوث تغيير في نتائج الانتروبيا.

  1. خذ كتلة من الجليد. هذا ماء في صورة صلبة ، لذلك له ترتيب بنيوي عالٍ. هذا يعني أن الجزيئات لا يمكنها التحرك كثيرًا وهي في وضع ثابت. درجة حرارة الجليد 0 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، تكون إنتروبيا النظام منخفضة.
  2. اترك الثلج يذوب في درجة حرارة الغرفة. ما هي حالة الجزيئات في الماء السائل الآن؟ كيف تم نقل الطاقة؟ هل انتروبيا النظام أعلى أم أدنى؟ لماذا ا؟
  3. سخني الماء حتى درجة الغليان. ماذا يحدث لانتروبيا النظام عند تسخين الماء؟

يمكن التفكير في جميع الأنظمة الفيزيائية بهذه الطريقة: يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب إدخالًا ثابتًا للطاقة ليتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا. نظرًا لأن الأنظمة الحية تأخذ جزيئات تخزين الطاقة وتحولها من خلال التفاعلات الكيميائية ، فإنها تفقد قدرًا من الطاقة القابلة للاستخدام في العملية ، لأنه لا يوجد تفاعل فعال تمامًا. كما أنها تنتج نفايات ومنتجات ثانوية ليست مصادر طاقة مفيدة. تزيد هذه العملية من إنتروبيا محيط النظام. نظرًا لأن جميع عمليات نقل الطاقة تؤدي إلى فقدان بعض الطاقة القابلة للاستخدام ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن كل نقل للطاقة أو تحول يزيد من إنتروبيا الكون. على الرغم من أن الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير وتحافظ على حالة منخفضة من الإنتروبيا ، فإن إنتروبيا الكون إجمالاً تتزايد باستمرار بسبب فقدان الطاقة القابلة للاستخدام مع كل عملية نقل للطاقة تحدث. بشكل أساسي ، الكائنات الحية في معركة شاقة مستمرة ضد هذه الزيادة المستمرة في الكون.


4.14: القانون الثاني للديناميكا الحرارية - علم الأحياء

هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية ، لكن في هذه الدورة ، فإن أول قانونين فقط مناسبين:

  1. يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.
  2. في أي نظام معين ، ستزداد الإنتروبيا (كمية الطاقة) أو تظل كما هي.

في هذه النتيجة ، سوف نتعلم بالضبط كيف أن هذه القوانين مهمة لفهم علم الأحياء.

أهداف التعلم

  • يميز بين النظام المفتوح والنظام المغلق
  • افهم كيف ينطبق القانون الأول للديناميكا الحرارية على الأنظمة البيولوجية
  • افهم كيف ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على الأنظمة البيولوجية

فك رموز القانون الثاني للديناميكا الحرارية

من المؤكد أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية مؤهل كواحد من أكثر المبادئ التي يتم الحديث عنها في جميع الفيزياء. اعتمادًا على من تسأل ، إما أنها غامضة بشكل لا يصدق أو عادية إلى حد ما. يعتقد بعض الفيزيائيين أن القانون الثاني مرتبط بأفكار أساسية مثل الوقت وأصل الكون ، 1 ومع ذلك فهو أيضًا جانب من جوانب التجارب اليومية ، مثل كيف يبرد فنجان قهوة الصباح ، أو حقيقة أنه لا يمكنك حل الرموز. بيضة. وقد استندت فرقة موسيقى الروك ميوز إلى القانون الثاني لشرح سبب عدم إمكانية استمرار النمو الاقتصادي لفترة أطول من وجهة نظرهم. 2 ومع ذلك ، فإن محاولة العثور على تفسير واضح لماهية القانون الثاني في الواقع (ولماذا هو حقيقي) يمكن أن تكون تجربة محبطة.

تعرفت على القانون الثاني لأول مرة عندما كنت مراهقًا ، بينما كنت أقرأ عددًا من مجلة الأصولية المسيحية خلقأعطتها لي جدتي. نظرًا لأن مؤلف المقال أراد أن يجادل ضد التطور البيولوجي ، فقد ادعى أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يشير إلى أن التطور مستحيل. كان تعريفه للقانون الثاني هو أن الفوضى تزداد دائمًا بمرور الوقت. للوهلة الأولى ، يبدو هذا غير متوافق مع التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي ، والذي يمكن أن يؤدي إلى كائنات أكثر تعقيدًا و "تصميمًا أفضل" بمرور الوقت. 3 في ذلك الوقت ، اعتقدت أنه من غير المحتمل أن تتعارض البيولوجيا السائدة بشكل صارخ مع الفيزياء السائدة ، لذلك ظللت متشككًا في هذه الحجة ، على الرغم من أنني لم أستطع فهم الحجج المضادة التي وجدتها على الإنترنت في ذلك الوقت.

خلال أول دورة في الفيزياء الجامعية ، شعرت بالحماس عندما علمت أننا سنقوم بدراسة الديناميكا الحرارية. أخيرًا ، اعتقدت أنني سأكون قادرًا على فهم القانون الثاني بشكل صحيح (جنبًا إلى جنب مع القوانين الأخرى الأقل شيوعًا). للأسف ، لم تتحقق توقعاتي ، على الرغم من وجود محاضر جيد. بدلاً من مناقشة قضايا الصورة الكبيرة مثل التطور أو الاقتصاد أو علم الكونيات ، توصلنا إلى أقصى قدر ممكن من الكفاءة للثلاجات والمحركات البخارية. أنا متأكد من أن هؤلاء مثيرون للاهتمام بطريقتهم الخاصة ، لكنني شعرت بخيبة أمل.

كانت نسخة القانون الثاني التي درسناها مرتبطة بمفاهيم الحرارة ودرجة الحرارة ، وقليلًا من الأمور الأخرى. النتيجة المألوفة لهذا الإصدار من القانون الثاني هي أن الحرارة تتدفق دائمًا من جسم ساخن إلى آخر أكثر برودة ، وليس العكس. يبرد فنجان القهوة الصباحي الخاص بك ، ولا يسخن الهواء المحيط به ولا يسخن أكثر أثناء تبريد الغرفة ، على الرغم من أن هذا الاحتمال متوافق مع قوانين الفيزياء الأخرى مثل الحفاظ على الطاقة.

يتم إضفاء الطابع الرسمي على القانون الثاني من خلال تحديد كمية تسمى غير قادر علي. عندما تتدفق الحرارة من جسم إلى آخر ، فإن إنتروبيا الكائن الأول تنخفض بمقدار يعتمد على درجة حرارته. التغيير في الانتروبيا هو مقدار الطاقة الحرارية المنقولة ، س (يقاس عادة بالجول) مقسومًا على درجة حرارة الجسم ، تي1، تقاس بالكلفن. عندما تتدفق نفس الطاقة الحرارية إلى جسم آخر ، فإن إنتروبيا هذا الجسم ترتفع س مقسومة على درجة حرارة الجسم الثاني ، تي2. يمكن بعد ذلك تحديد القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه إذا جمعت جميع التغييرات في الانتروبيا لجميع الكائنات التي تدرسها ، فيجب أن تكون النتيجة رقمًا موجبًا أو صفرًا. لا يمكن أن تكون سلبية. بعبارة أخرى ، يجب أن يزيد الكون الكلي أو يظل كما هو. عندما يبرد فنجان من القهوة ، تنخفض إنتروبيا ، لكن الانتروبيا المحيطة به تزداد بكمية أكبر ، لأن القهوة أكثر سخونة من البيئة المحيطة.

إن إصدار القانون الثاني الذي وصفته للتو ، والذي يُنسب عادةً إلى الفيزيائي الألماني في القرن التاسع عشر رودولف كلوسيوس ، له بالتأكيد استخداماته. ومع ذلك ، فهو بعيد كل البعد عن المبدأ الأساسي النبيل الذي كنت أتوقع أن أتعلمه. ما علاقة ذلك بالتطور؟ إن الوهم بأن الكائنات الحية مصممة جيدًا لا علاقة له بنقل الحرارة. لا يتعلق الأمر بالاقتصاد كثيرًا أيضًا ، إلا بشكل غير مباشر للغاية ، لأن الآلات مفيدة والقانون الثاني يحظر أنواعًا معينة من الآلات.

المربك ، كما تعلمنا نسخة Clausius من القانون الثاني ، ناقشنا أيضًا ظواهر مثل انتشار الغاز ، كما هو موضح في هذا GIF المتحركة:

في الرسم المتحرك ، تبدأ ذرات الغاز الأرجواني فوق الحاجز الأفقي في منتصف الصندوق ، وتبدأ الذرات الخضراء أسفل الحاجز. مع مرور الوقت ، تنتشر الذرات الأرجواني والأخضر في جميع أنحاء الصندوق بأكمله. هذا "الانتشار" ، بالمعنى المادي ، كان يُزعم أنه مثال للقانون الثاني ، ومع ذلك لم أتمكن أبدًا من العثور على الحرارة التي يتم نقلها في هذا المثال. إذا لم يتم نقل الحرارة ، فإن قانون Clausius الثاني لا ينطبق ، فلقد تركنا نلوح بيدنا بشأن الفوضى.

فهل هناك نسخة من القانون الثاني تتعلق بمفاهيم أكثر عمومية من الحرارة ودرجة الحرارة؟ اتضح أن الإجابة هي نعم ، لكن كان علي الانتظار سنوات عديدة قبل أن أتعلم ذلك. من المثير للدهشة أن اتضح أن هذا القانون الثاني الأكثر عمومية ليس حقًا مبدأ فيزيائيًا ، ولكنه بالأحرى مبدأ تفكير. هذه النسخة الأكثر عمومية من القانون الثاني لا تشرح فقط سبب صحة نسخة Clausius ، ولكنها تعطينا أداة لأسئلة أكثر عمومية ، مثل سؤال التطور أو تأملات موسى الاقتصادية. يظهر أيضًا في الحياة اليومية ، وليس فقط في المواقف التي تنطوي على الحرارة ودرجة الحرارة. على سبيل المثال ، لماذا تعتبر لعبة رمي السهام صعبة؟ لماذا لا يستطيع معظم الرجال الغناء في الأوبرالية؟ ولماذا تعتبر استطلاعات الرأي السياسية دقيقة (إلى حد ما)؟

عدم اليقين والحجم

أثناء دراستي للدكتوراه ، أصبحت مهتمًا بشدة بإحصاءات بايز 4 وكيفية استخدامها في تحليل البيانات الفلكية. خلال هذه العملية ، اكتشفت عمل الفيزيائي غير الأرثوذكسي إي تي جاينز (1922-1998) ، 5 الذي غير أسلوب تفكيره الواضح وأسلوب كتابته القتالي اتجاه مشروع الدكتوراه وحياتي.

ذات يوم عثرت على ورقة Jaynes معينة ، والتي تعد الآن واحدة من مقالات المجلات المفضلة لدي في كل العصور. 6 لم أفهم ذلك على الفور ، لكن كان لدي شعور قوي بضرورة الاستمرار لأنه بدا مهمًا. بين الحين والآخر ، أعود لإعادة قراءتها ، وفهم القليل في كل مرة. جاء الاختراق بعد العشاء ذات ليلة.

كنت قد أخرجت وعاء من الآيس كريم من الفريزر للحلوى. بعد صقل الآيس كريم في وعاء ، حاولت إعادة الحوض إلى المجمد ، لكنه لم يكن مناسبًا (بسبب قدراتي على التعبئة فقط). دفعني هذا إلى التفكير في الأحجام ، وفجأة نقرت على Jaynes كان يشرح أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، إصدار Clausius للحرارة / درجة الحرارة و (الأهم) إصدار أكثر عمومية ، يقلل من مبدأ أن الأشياء الكبيرة لا يمكن أن تتناسب مع المساحات الصغيرة ما لم يتم ضغطها. هذا هو الحس السليم عند تطبيقه على الأشياء المادية ، ولكن للحصول على القانون الثاني ، عليك تطبيقه على كائن مجرد: حجم من الاحتمالات. لم تنشأ هذه الفكرة بالضرورة مع Jaynes ، حيث يمكن العثور عليها (وإن لم يتم ذكرها بشكل صريح) في أعمال J. Willard Gibbs ، من بين آخرين. المصدر الآخر الذي ساعدني في الفهم كان منشورات المدون غير الموقر "بيير لابلاس". 7

لإثبات فكرة حجم الاحتمالات ، انظر إلى 52 كتابًا على رف كتب مكتبي ، 50 منها غير خيالية. [إنها مصادفة أن هناك 52 بطاقة في مجموعة أوراق اللعب القياسية. أحاول تجنب التفسيرات التي تتضمن البطاقات وقلب العملات المعدنية والنرد ، لأن الناس يميلون (بشكل غير صحيح) إلى الاعتقاد بأنهم يفهمونها بالفعل.]

الآن أقول لك أن أحد الكتب الموجودة على الرف تم توقيعه من قبل المؤلف. أي واحد؟ أنا لا أقول. استنادًا إلى هذه المعلومات فقط ، من المنطقي بالنسبة لك تعيين احتمال 1/52 لكل كتاب ، مع وصف مدى معقولية اعتقادك أنه من المناسب أن يكون كل كتاب موقعًا.

من حالة شبه الجهل هذه ، يبدو أنك قد لا تكون قادرًا على استخلاص أي استنتاجات بثقة عالية. لكن هذا وهم لأنه يعتمد على الأسئلة التي تطرحها. تخيل لو سألتك ما إذا كان الكتاب الموقع كتابًا واقعيًا. إذا كان احتمالك هو 1/52 لكل كتاب موقّع ، فإن احتمال أن يكون الكتاب الموقّع غير خيالي يجب أن يكون 50/52 (إضافة احتمالات 50 كتابًا غير خيالي معًا) ، أو ما يقرب من 96٪. هذا مستوى مثير للإعجاب من الثقة - أكثر بكثير مما يجب أن تحصل عليه في ختام ورقة علمية واحدة راجعها الزملاء! بالطبع ، لا يعني وجود احتمال كبير أن النتيجة المتوقعة مضمونة. هذا يعني فقط أنه معقول للغاية بناءً على المعلومات التي أدخلتها صراحةً في الحساب.

إليكم مخططًا (بسيطًا جدًا) لرف كتبي ، حيث المناطق الزرقاء عبارة عن كتب غير خيالية ، وكون الأحمر خيالًا: من الواضح أن الرهان الأكثر أمانًا هو أن الكتاب الموقع غير خيالي ، وذلك ببساطة لأن هناك المزيد منها— يشغلون غالبية كبيرة من حجم الاحتمالات (والتي ، في هذه الحالة ، تتوافق مع الحجم المادي على رف كتبي).

المبدأ العام هنا ، الذي أشار إليه جاينز ، هو: إذا نظرت في جميع الاحتمالات التي تتوافق مع المعلومات التي لديك ، والغالبية العظمى من هذه الاحتمالات تشير إلى نتيجة معينة ، فإن هذه النتيجة معقولة للغاية. هذا أيضًا نتيجة لنظرية الاحتمالات. الطريقة الوحيدة للتغلب على هذا الاستنتاج هي أن يكون لديك سبب لتعيين احتمالات غير موحدة للغاية للاحتمالات. على سبيل المثال ، إذا كان لدي سبب للاعتقاد بأن الكتب الخيالية من المرجح أن يتم التوقيع عليها ، فلن أخصص احتمالًا متساويًا قدره 1/52 لكل كتاب.

كلوسيوس من جاينز

يمكن تطبيق نسخة جاينز من القانون الثاني (حول عدم اليقين) على جميع أنواع الأسئلة ، ويمكنها أيضًا أن تشرح سبب صحة إصدار كلاوزيوس (حول الحرارة ودرجة الحرارة).

عندما أقول إن لدي فنجانًا ساخنًا من القهوة وأن الهواء المحيط به أكثر برودة ، يبدو الأمر وكأنه بيان محدد تمامًا. ولكن بمعنى ما ، فهو في الواقع عبارة غامضة للغاية ، من حيث أنه يغفل عددًا كبيرًا من التفاصيل حول ما يحدث بالفعل. لم أخبرك عن لون الكوب ، ما إذا كانت نافذتي مفتوحة ، وما إذا كانت القهوة فورية أم لا (عادة ما تكون فورية مع حليب الصويا وحبتين من السكرالوز إذا كنت تتساءل & # 8230 يمكنني التعامل مع بريد الكراهية). والأهم من ذلك ، لقد تركت أيضًا التفاصيل الأساسية حول موضع وسرعة (سرعة واتجاه الحركة) لكل جزيء في الكوب والهواء المحيط. تعني درجة حرارة القهوة المرتفعة أن جزيئاتها تتحرك بسرعة إلى حد ما ، ولكن هناك القليل من المعلومات الثمينة بصرف النظر عن ذلك.

بناءً على هذه المعلومات الغامضة جدًا حول فنجان القهوة ، هل يمكننا التنبؤ بما سيحدث في المستقبل؟ يقول الفطرة والخبرة لدينا نعم بصوت عالٍ جدًا. أكواب القهوة الساخنة تبرد. دوه! لكن بالنسبة للفيزيائي ، فإن الطريقة القياسية للتنبؤ بالمستقبل هي استخدام قوانين الحركة ، التي تتنبأ بكيفية تحرك الجسيمات (مثل جزيئات القهوة والهواء). المهم هو أننا نحتاج إلى إعطاء الشروط الأولية: ما هي جميع المواضع والسرعات التي نتنبأ بها من عند?

نظرًا لأننا لا نعرف الشروط الأولية (لدينا فقط المعلومات "الغامضة" ، وتحديدًا درجة الحرارة) ، لا يمكننا في الواقع تطبيق قوانين الحركة القياسية لمعرفة ما سيحدث في المستقبل. أي توقع نتخذه سيكون تخمينًا ، أو بشكل أكثر رسمية ، احتمالية. نحن في وضع مشابه لرف الكتب. إذا فكرنا في كل الاحتمالات لما قد تكون عليه مواضع وسرعات القهوة وجزيئات الهواء ، فإن المعلومات الغامضة التي لدينا يمكنها فقط تقييد الاحتمالات إلى مجموعة فرعية ، كما هو موضح بالمنطقة الحمراء أدناه:

الآن ، ما ستفعله قوانين الحركة لك هو إخبارك بكيفية تحرك نقطة في هذا الرسم البياني بمرور الوقت (بالتساوي ، كيف ستتغير مواضع وسرعات جميع الجزيئات بمرور الوقت). في لحظة معينة ، يتم تمثيل الواقع المادي بنقطة واحدة في مكان ما في المنطقة الحمراء. مع مرور الوقت ، ستتحرك هذه النقطة (كما هو موضح بالسهم المنحني في الرسم التخطيطي). حيث أنه في نهاية المطاف؟ هذا يعتمد على المكان الذي كانت النقطة فيه في المنطقة الحمراء بالتحديد. ومع ذلك ، فإن خاصية خاصة لقوانين الحركة تتمثل في أنه إذا تم تمثيل عدم اليقين بشأن النقطة الأولية بالمنطقة الحمراء ، فسيتم تمثيل عدم اليقين بشأن المكان الذي ستنتهي فيه هذه النقطة بالمنطقة من نفس الحجم. في الفيزياء ، تشبه مناطق عدم اليقين حاويات الآيس كريم التي لا يمكن ضغطها.

لاحظ أن المنطقة الحمراء أصغر بكثير من المنطقة الخضراء ، وتمثل مجموعة الاحتمالات المتوافقة مع العبارة الغامضة ، "القهوة باردة والمناطق المحيطة بها أكثر دفئًا قليلاً (مما ستكون عليه في المنطقة الحمراء)". لذلك ، إذا تم تحريك المنطقة الحمراء وتغير شكلها (لكنها تحتفظ بحجمها) ، فمن الممكن أن تتلاءم تمامًا مع المنطقة الخضراء ، وذلك ببساطة لأنها أصغر. في الرسم التخطيطي ، تبلغ المساحة حوالي 20 ضعفًا أو نحو ذلك ، ولكن في الفيزياء يمكن أن تكون أكبر بعامل مثل 10 ^ (10 ^ 20). لذلك ، فإن القاعدة الأساسية التالية ممكنة على الأقل: إذا كان موضع البداية في المنطقة الحمراء ، فسيكون الموضع النهائي في المنطقة الخضراء.

الوضع المعاكس لا يعمل. بدلاً من ذلك ، علينا أن نعترف بأنه إذا كان موضع البداية في المنطقة الخضراء ، فمن شبه المؤكد أن الموضع النهائي لن يكون في المنطقة الحمراء. ترجمت مرة أخرى إلى عبارات حول القهوة ، & # 8216 أكواب القهوة الساخنة تميل إلى البرودة & # 8217 هي قاعدة معقولة ، لكن & # 8216 أكواب القهوة الباردة في الغرف الباردة تميل إلى التسخين & # 8217 ليس كذلك ، وهذا كله بسبب لأحجام المناطق الحمراء والخضراء في مجموعة الاحتمالات.

هناك مجموعة فرعية مرعبة من الحالات داخل المنطقة الخضراء والتي من شأنها أن تؤدي إلى القهوة الساخنة. لكن حجمه ضئيل للغاية لدرجة أنه لا يمكننا أبدًا أن نأمل في هندسة نظام قهوة / هواء موجود بالفعل في تلك المجموعة الفرعية. وبالتالي ، فإن فكرة إجراء تخمين معقول بناءً على معلوماتك غير الكاملة تشرح سبب صحة إصدار "الحرارة ودرجة الحرارة" الديناميكي الحراري للقانون الثاني.في الواقع ، الارتباط قريب جدًا لدرجة أن تعريف كلاوزيوس للإنتروبيا يتوافق تمامًا مع حجم مناطق عدم اليقين.

ومن المثير للاهتمام أن هذا التفسير لا يفسر حقًا أي شيء عن الوقت ، حيث تم افتراض مفاهيم الوقت في التفسير نفسه. من المفترض أن تفسيرًا أكثر جوهرية للوقت من شأنه أن يفسرها من حيث بعض المفاهيم الأخرى.

الانتروبيا: ليس ما هو موجود ، إنه ما تعرفه

سيتحدث العديد من الفيزيائيين بسعادة عن "ال الكون "كونه منخفضًا في الماضي ، أو كيف اشتق ستيفن هوكينج صيغة"ال إنتروبيا الثقب الأسود ".

من المحتمل أن تكون هذه نتائج صحيحة ومثيرة للاهتمام (لست على دراية كاملة بكل تفاصيلها) ، لكن لدي صئًا لاختياره. الانتروبيا هو مفهوم دقيق للغاية بحيث لا يمكن اعتباره أمرًا مفروغًا منه. نظرًا لأن النظام الفيزيائي نفسه يمكن أن يحتوي على أكثر من إنتروبيا (اعتمادًا على الطريقة التي نريد أن نفكر بها) ، يجب أن نكون واضحين تمامًا بشأن كيفية تعريفنا له واستخدامنا له.

فيما يتعلق بالرسم البياني السابق ، فإن الانتروبيا ليست خاصية للسهم (التي تصف ما حدث بالفعل) ولكنها خاصية للمناطق الحمراء والخضراء (التي تصف عدم اليقين). يصف الانتروبيا ما هو معروف عن النظام ، أو مقدار المعلومات التي يوفرها بيان غامض (أو قد يوفرها) حول النظام. لا يوجد إنتروبيا "حقيقية" يمكننا حسابها حتى لو عرفنا كل شيء كان لابد من معرفته!

ما هي القواعد العامة التي نبحث عنها؟ قد توجد أنواع مختلفة ، وسنجدها باستخدام إنتروبيا مختلفة. يعتمد الأمر كله على العبارات الغامضة المحددة التي نهتم بها. على سبيل المثال ، قد نرغب في معرفة ما إذا كانت القهوة الساخنة تميل إلى البرودة ، وفي هذه الحالة ستشمل الانتروبيا الحرارة ودرجة الحرارة ، أو قد نكون مهتمين بما إذا كان الغاز في واحدة يميل نصف الصندوق إلى الاختلاط بالغاز الموجود في النصف الآخر من الصندوق (كما في الصورة المتحركة gif). في هذه الحالة ، لن يكون للإنتروبيا أي علاقة بنقل الحرارة ، بل تتعلق بكمية كل نوع من الغاز على جانبي الحاجز.

عندما يسمع الناس لأول مرة أن "قانون الفيزياء" يمكن اشتقاقه كتنبؤ قائم على شبه الجهل ، فإن ميلهم الطبيعي هو القلق من أن التنبؤ المبني على شبه الجهل قد يكون خاطئًا. بالطبع هذا ممكن. ومع ذلك ، عندما يحدث هذا ، فإنها فرصة جيدة للتعلم. إذا كانت نسبة 99.99999999999٪ من الاحتمالات تعني نتيجة واحدة ، ولم تحدث هذه النتيجة ، فأنت بحاجة إلى معرفة السبب ، وعند القيام بذلك ، قد تكتشف شيئًا جديدًا.

التطور والاقتصاد

يجدر التفكير فيما إذا كان القانون الثاني يمنع حقًا التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي. لسنا بحاجة إلى أن نكون تقنيين بشكل خاص مع مفهوم الانتروبيا من أجل القيام بذلك. كل ما نحتاج إلى طرحه هو ما إذا كان من المعقول أن تميل مجموعة من الكائنات الحية ذاتية التكاثر إلى تحسين بقائها على قيد الحياة ولياقتها الإنجابية بمرور الوقت.

الجواب نعم ، بشرط أن يكون معدل الطفرات منخفضًا بدرجة كافية. وإذا تكاثرت الكائنات الحية عن طريق الاتصال الجنسي ، فإن متوسط ​​لياقة السكان سيزداد بشكل أسرع. 8 هذه ليست نسخة Clausius من القانون الثاني ، ولكنها مثال على قانون Jaynes واحد: من بين جميع الوفيات المحتملة ، وأحداث التكاثر ، والطفرات التي يمكن أن تحدث بشكل معقول ، سيؤدي معظمها إلى زيادة متوسط ​​اللياقة البدنية للسكان . احتمالية انخفاض لياقة السكان & # 8217 منخفضة لأنه ، حتى يحدث ذلك ، يجب أن تتكاثر الكائنات الحية ذات الجينوم الأسوأ أكثر من الكائنات ذات الجينوم الأفضل.

أنا لست خبيرًا اقتصاديًا ، لذلك لا أعرف ما إذا كان موسى على حق بشأن العواقب الاقتصادية للقانون الثاني. يبدو أن التيار الاقتصادي السائد يعتقد أن استمرار النمو الاقتصادي أمر معقول ومرغوب فيه. يوجد بعض المنشقين ، ويبدو أحيانًا (في رأيي غير المتعلم) أن لديهم بعض النقاط الجيدة ، على الرغم من أن البعض الآخر يبدو أنهم مالتوسيون لديهم الرغبة في ممارسة البستنة.

القانون الثاني في الحياة اليومية

المنطق الاحتمالي الكامن وراء القانون الثاني ينطبق أيضًا على المجالات الأخرى. أحب أن أطبقه على الغناء ، وهي إحدى هواياتي المفضلة. منذ حوالي عشر سنوات ، قررت أن أتعلم كيف أغني ، حيث بدا الأمر ممتعًا ، وعدم الاضطرار إلى حمل آلة موسيقية له مميزاته. في ذلك الوقت لم يكن بإمكاني الغناء بشكل جيد وخاصة أنني لم أستطع الغناء فوق E4 ، فالحرف E أعلى من الوسط C. كان هذا محبطًا ولكنه شائع جدًا. لا يستطيع معظم الرجال الغناء مع الأغاني العالية ما لم يغيروا اللحن بأوكتاف.

اتضح أن غناء النغمات العالية يتطلب شروطًا محددة للغاية يجب تحقيقها في الحنجرة ، فيما يتعلق بضغط الهواء وما إلى ذلك. للحصول على هذا بالشكل الصحيح ، تحتاج إلى بذل جهد عضلي في جذعك بطريقة معينة يسميها المطربون تقليديًا بالدعم. 9 لا يمكنك أيضًا أن تكون هادئًا إلا إذا كنت تريد صوتًا "falsetto" لطيفًا جدًا. الحجم المطلوب أكثر مما يشعر به معظم الناس بشكل حدسي ضروري. على سبيل المثال ، لا يمكنني (محاولة) غناء أغاني الروك عالية النبرة عندما تكون زوجتي في نفس الغرفة لأنها تؤذي أذنيها (لأنها عالية الصوت بغض النظر عما إذا كانت جيدة أم سيئة & # 8230). كما أن اختيارك لحروف العلة مقيد أكثر من النغمات المنخفضة.

كل هذه الشروط المحددة (الصوت العالي ، الدعم الصحيح ، حرف العلة الذي يعمل) يجب أن تتحقق من أجل غناء نغمة عالية. والسبب في صعوبة الأمر هو نفس السبب في صعوبة الوصول إلى ثقب في واحد ، أو القيام بأي عمل مادي دقيق لجميع الأشياء التي يمكننا القيام بها ، ومعظمها لا يؤدي إلى نغمة صوت جيدة ناجحة ( أو ضربة غولف دقيقة). إذا (تقريبًا) كل الطرق تؤدي إلى روما ، فمن الأفضل أن ينتهي بك الأمر في روما. القانون الثاني للديناميكا الحرارية بهذه البساطة.

إن فهم منطقها ، وكيف ينشأ من التفكير غير المؤكد (في الأساس أكثر قليلاً من نظرية الاحتمالات) ، هو المفتاح لتوسيع نطاق استخدامه خارج الفيزياء بطريقة معقولة.

بريندون بروير محاضر أول في قسم الإحصاء في أوكلاند. لمتابعته عبر تويترbrendonbrewer


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. يتم تصنيف المادة وبيئتها ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة كنظام ، وكل شيء خارج هذا النظام هو المحيط. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. النظام المفتوح هو النظام الذي يمكن أن تنتقل فيه الطاقة بين النظام ومحيطه. نظام الموقد مفتوح لأنه يمكن أن يفقد الحرارة في الهواء. النظام المغلق هو النظام الذي لا يمكنه نقل الطاقة إلى محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم ، حيث يستهلكون جزيئات تخزين الطاقة ويطلقون الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة لقوانين الفيزياء. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يتعامل القانون الأول للديناميكا الحرارية مع الكمية الإجمالية للطاقة في الكون. تنص على أن هذا المقدار الإجمالي للطاقة ثابت. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، قد تنتقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تتحول إلى أشكال مختلفة ، لكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (مراجعة). يوضح (الشكل) أمثلة على تحولات الطاقة.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي بشكل جيد للغاية. تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الضرب للأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة ، والتكاثر.


القانون الثاني للديناميكا الحرارية

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. لا شيء من عمليات نقل الطاقة التي ناقشناها ، إلى جانب جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة في الكون ، فعال تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، يعرّف العلماء الطاقة الحرارية على أنها طاقة تنتقل من نظام إلى آخر لا يقوم بعمل. على سبيل المثال ، عندما تطير طائرة في الهواء ، فإنها تفقد بعض طاقتها كطاقة حرارية بسبب الاحتكاك بالهواء المحيط. يؤدي هذا الاحتكاك في الواقع إلى تسخين الهواء عن طريق زيادة سرعة جزيء الهواء مؤقتًا. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي. هذا جيد للمخلوقات ذوات الدم الحار مثلنا ، لأن الطاقة الحرارية تساعد في الحفاظ على درجة حرارة أجسامنا. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، لأن بعض الطاقة تُفقد في صورة غير صالحة للاستعمال.

أحد المفاهيم المهمة في الأنظمة الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى (أو العشوائية). كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام في المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا المرتفعة تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة ((الشكل)). لفهم الكون بشكل أفضل ، فكر في غرفة نوم الطالب. إذا لم يتم وضع أي طاقة أو عمل فيه ، فستصبح الغرفة فوضوية بسرعة. سيكون موجودًا في حالة مضطربة للغاية ، حالة انتروبيا عالية. يجب وضع الطاقة في النظام ، في شكل قيام الطالب بالعمل ووضع كل شيء بعيدًا ، من أجل إعادة الغرفة إلى حالة النظافة والنظام. هذه الحالة هي حالة ذات إنتروبيا منخفضة. وبالمثل ، يجب صيانة السيارة أو المنزل باستمرار مع العمل من أجل إبقائه في حالة منظمة. إذا تُركت بمفردها ، فإن الكون & # 8217s أو السيارة & # 8217s تزداد تدريجياً من خلال الصدأ والتدهور. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على كميات متفاوتة من الانتروبيا أيضًا. على سبيل المثال ، عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى حالة من التوازن ، تزداد الإنتروبيا ، وعندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر ، تزداد الإنتروبيا أيضًا.

نقل الطاقة والإنتروبيا الناتجة قم بإعداد تجربة بسيطة لفهم كيفية انتقال الطاقة وكيفية التغيير في نتائج الانتروبيا.

  1. خذ كتلة من الجليد. هذا ماء في صورة صلبة ، لذلك له ترتيب بنيوي عالٍ. هذا يعني أن الجزيئات لا يمكنها التحرك كثيرًا وهي في وضع ثابت. درجة حرارة الجليد & # 8217s هي 0 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، فإن إنتروبيا النظام & # 8217s منخفضة.
  2. اترك الثلج يذوب في درجة حرارة الغرفة. ما هي حالة الجزيئات في الماء السائل الآن؟ كيف تم نقل الطاقة؟ هل إنتروبيا النظام & # 8217s أعلى أم أقل؟ لماذا ا؟
  3. سخني الماء حتى درجة الغليان. ماذا يحدث للنظام و # 8217s عندما يتم تسخين الماء؟

فكر في جميع الأنظمة الفيزيائية بهذه الطريقة: الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على نفسها في حالة من انخفاض الانتروبيا. نظرًا لأن الأنظمة الحية تأخذ جزيئات تخزين الطاقة وتحولها من خلال التفاعلات الكيميائية ، فإنها تفقد قدرًا من الطاقة القابلة للاستخدام في العملية ، لأنه لا يوجد تفاعل فعال تمامًا. كما أنها تنتج نفايات ومنتجات ثانوية ليست مصادر طاقة مفيدة. تزيد هذه العملية من إنتروبيا محيط النظام. نظرًا لأن جميع عمليات نقل الطاقة تؤدي إلى فقدان بعض الطاقة القابلة للاستخدام ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن كل نقل أو تحول للطاقة يزيد الكون & # 8217s الكون. على الرغم من أن الكائنات الحية مرتبة بشكل كبير وتحافظ على حالة منخفضة من الانتروبيا ، فإن الكون في المجموع يتزايد باستمرار بسبب فقدان الطاقة القابلة للاستخدام مع كل عملية نقل للطاقة تحدث. بشكل أساسي ، الكائنات الحية في معركة شاقة مستمرة ضد هذه الزيادة المستمرة في الكون.


ملخص القسم

في دراسة الطاقة ، يستخدم العلماء مصطلح "النظام" للإشارة إلى المادة وبيئتها المتضمنة في عمليات نقل الطاقة. كل شيء خارج النظام هو المحيط. الخلايا المنفردة هي أنظمة بيولوجية. يمكننا التفكير في الأنظمة على أنها تتمتع بقدر معين من النظام. يتطلب الأمر طاقة لجعل النظام أكثر ترتيبًا. كلما كان النظام أكثر ترتيبًا ، انخفض إنتروبيا. الانتروبيا هو مقياس لاضطراب النظام & # 8217s. عندما يصبح النظام أكثر اضطرابًا ، كلما انخفضت طاقته وزادت إنتروبيا.

قوانين الديناميكا الحرارية هي سلسلة من القوانين التي تصف خصائص وعمليات نقل الطاقة. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. هذا يعني أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة ، فقط نقلها أو تحويلها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن كل عملية نقل للطاقة تنطوي على بعض فقدان الطاقة بشكل غير قابل للاستخدام ، مثل الطاقة الحرارية ، مما يؤدي إلى نظام أكثر اضطرابًا. بعبارة أخرى ، لا يوجد نقل للطاقة فعال تمامًا ، وكل ذلك ينقل الاتجاه نحو الفوضى.

إستجابة مجانية

تخيل مزرعة نملة متقنة بها أنفاق وممرات عبر الرمال حيث يعيش النمل في مجتمع كبير. تخيل الآن أن زلزالًا هز الأرض ودمر مزرعة النمل. في أي من هذين السيناريوهين ، قبل أو بعد الزلزال ، كان نظام مزرعة النمل في حالة انتروبيا أعلى أو أقل؟

كانت مزرعة النمل تحتوي على نسبة أقل من الانتروبيا قبل الزلزال لأنها كانت نظامًا عالي التنظيم. بعد الزلزال ، أصبح النظام أكثر اضطرابًا وكان له إنتروبيا أعلى.

تتم عمليات نقل الطاقة باستمرار في الأنشطة اليومية. فكر في سيناريوهين: الطهي على الموقد والقيادة. اشرح كيف ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على هذين السيناريوهين.

أثناء الطهي ، يتم تسخين الطعام على الموقد ، ولكن لا تذهب كل الحرارة إلى طهي الطعام ، حيث يتم فقد جزء منه كطاقة حرارية للهواء المحيط ، مما يؤدي إلى زيادة الانتروبيا. أثناء القيادة ، تقوم السيارات بحرق البنزين لتشغيل المحرك وتحريك السيارة. هذا التفاعل غير فعال تمامًا ، حيث يتم فقد بعض الطاقة أثناء هذه العملية كطاقة حرارية ، وهذا هو سبب ارتفاع درجة حرارة غطاء المحرك والمكونات الموجودة تحته أثناء تشغيل المحرك. ترتفع درجة حرارة الإطارات أيضًا بسبب الاحتكاك مع الرصيف ، مما يؤدي إلى فقدان طاقة إضافي. هذا النقل للطاقة ، مثل كل الآخرين ، يزيد أيضًا من الانتروبيا.

قائمة المصطلحات


أمثلة القانون الثاني للديناميكا الحرارية

أمثلة على أساس بيان Clausius & # 8217s

1) تسرب الهواء من البالون من تلقاء نفسه

ربما لاحظت هذا في عيد ميلادك.

يتسرب الهواء من البالون من تلقاء نفسه بعد مرور بعض الوقت.

لا يدخل الهواء أبدًا داخل البالون من تلقاء نفسه. يعتمد هذا المثال على بيان الانتروبيا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. إنه مثال على العملية العفوية.

2) سوف يختلط غازان تلقائيًا من تلقاء نفسه

إذا أزلنا هذا الفاصل الأبيض كما هو موضح في الصورة ، فماذا سيحدث؟

سوف يختلط كلا الغازين مع بعضهما البعض. وتحدث هذه العملية أيضًا من تلقاء نفسها. وبالتالي هذا مثال على القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي يوضح أن إنتروبيا الكون تزداد بسبب هذه العملية العفوية.

3) القهوة الساخنة تبرد تلقائيا

يعتمد هذا المثال أيضًا على مبدأ الزيادة في الانتروبيا.

في فصل الشتاء المرتعش ، إذا أعدت لك والدتك قهوة ساخنة ولم تشربها في غضون دقائق قليلة ، فماذا يحدث لهذه القهوة؟

ستبرد هذه القهوة بعد مرور بعض الوقت. حق؟

نعم فعلا. من الواضح أنه سوف يبرد. وتحدث هذه العملية من تلقاء نفسها (بشكل عفوي).

عندما تحدث هذه العملية بشكل عفوي ، ستزداد إنتروبيا الكون.

4) سقوط الجسم من تلقاء نفسه على الأرض

لقد جربت هذا بالفعل.

يسقط الحجر أو أي شيء من تلقاء نفسه دائمًا على الأرض. هذه الأشياء لا ترتفع تلقائيًا أبدًا.

تشير عملية السقوط هذه إلى أنها عملية عفوية ولهذه العمليات العفوية ، تزداد إنتروبيا الكون.

5) يذوب الجليد تلقائيًا

لقد رأيت هذا بالفعل مرة واحدة على الأقل في حياتك.

ماذا يحدث إذا احتفظت بالثلج على المنضدة لبعض الوقت؟

الآن تحدث هذه العملية الديناميكية الحرارية تلقائيًا (من تلقاء نفسها).

بسبب هذه العملية العفوية ، تزداد إنتروبيا الكون.

6) يتدفق الماء دائمًا من المستوى الأعلى إلى المستوى الأدنى

هل رأيت الماء يتصاعد تلقائيًا؟

الجواب هو لا.

لأن الماء يتدفق دائمًا تلقائيًا من المستوى الأعلى إلى المستوى الأدنى.

لا يرتفع تلقائيا.

وبالتالي فإن هذه العملية العفوية لتدفق الماء من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى تشير إلى زيادة إنتروبيا الكون.

7) يأخذ الغاز الحجم الكامل للحاوية

ماذا سيحدث إذا أدخلت بعض الغاز في الحاوية المغلقة. من الواضح أنها ستنتشر في جميع أنحاء الحاوية (من تلقاء نفسها) وستشغل مساحة الحاوية بأكملها.

هذا تمامًا مثل وضع العطر على قميصك وينتشر العطر في الغرفة بأكملها.

تحدث هذه العملية بشكل عفوي (أي من تلقاء نفسها) وبسبب هذه العملية العفوية ، تزداد إنتروبيا الكون.

مثال على أساس بيان Kelvin Planck & # 8217s

1) محرك السيارات والدراجات

آمل أن تعرف بيان Kelvin Planck & # 8217s ، دعني الآن أشرح لك كيف يستند هذا المثال لمحرك السيارة أو محرك الدراجة على القانون الثاني.

انظر ، وفقًا لبيان Kelvin Planck & # 8217s ، يجب أن يكون هناك خزانان حراريان على الأقل (أحدهما في درجة حرارة أعلى والآخر عند درجة حرارة منخفضة) ثم سيعمل المحرك فقط.

في محرك السيارة والدراجة ، يوجد خزان درجة حرارة أعلى حيث يتم إنتاج الحرارة وخزان درجة حرارة منخفضة حيث يتم إطلاق الحرارة.

وبالتالي فإن هذه المحركات هي مثال للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

مثال على أساس عبارة Clausius & # 8217s

1) ثلاجة تستخدم الكهرباء لتغيير اتجاه تدفق الحرارة

هل تعلم ماذا يحدث في الثلاجة؟

تنتقل الحرارة من درجة حرارة الجسم المنخفضة (أي داخل الثلاجة) إلى درجة حرارة الجسم الأعلى (أي خارج الثلاجة).

لكن هذه العملية غير ممكنة من تلقاء نفسها. لجعل هذا التدفق الحراري ممكنًا ، يوجد مصدر طاقة خارجي لهذه الثلاجة. هذه الطاقة الخارجية ليست سوى طاقة كهربائية تُستخدم بشكل أكبر في ضاغط الثلاجة لإنتاج الأعمال الميكانيكية.

وهكذا فإن هذا المثال يلبي بيان Clausius & # 8217s للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

آمل أن تكون قد وجدت هذه المقالة مفيدة.

اسمحوا لي أن أعرف ما هو رأيك في هذه الأمثلة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. لا تتردد في التعليق إذا كان لديك أي استفسار.


4.14: القانون الثاني للديناميكا الحرارية - علم الأحياء

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ،
التطور والاحتمالات
حقوق النشر & # 169 1995-1997 بواسطة Frank Steiger
يمكن نسخ هذا المستند بدون حقوق ملكية للاستخدام غير الربحي وغير التجاري.

يعتقد المتشددون أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يسمح للنظام بالنشوء من الفوضى ، وبالتالي لا يمكن أن يحدث التطور الكلي للكائنات الحية المعقدة من أسلاف وحيدة الخلية. تستند حجة الخلق على تفسيرهم للعلاقة بين الاحتمالية والخصائص الديناميكية الحرارية المسماة "الانتروبيا".

على سبيل الخلفية ، ولتوضيح موقف الخلق ، اسمحوا لي أن أقتبس من الأدب الخلقي:

الولادة الرائعة لكوكب الأرض ، بواسطة هنري موريس:

(ص 14) تظهر جميع العمليات ميلًا نحو الاضمحلال والتفكك ، مع زيادة صافية في ما يسمى الانتروبيا ، أو حالة العشوائية أو الفوضى ، للنظام. وهذا ما يسمى بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

(ص. 19) هناك ميل عالمي لجميع الأنظمة للانتقال من النظام إلى الفوضى ، كما هو مذكور في القانون الثاني ، ولا يمكن إيقاف هذا الاتجاه وعكس اتجاهه إلا في ظل ظروف خاصة جدًا. لقد رأينا بالفعل ، في الفصل الأول ، أن الفوضى لا يمكنها أبدًا أن تنتج النظام من خلال أي نوع من العمليات العشوائية. يجب أن يكون هناك شكل من أشكال الكود أو البرنامج ، لتوجيه عملية الطلب ، ويجب أن يحتوي هذا الرمز على الأقل على قدر "المعلومات" المطلوب لتوفير هذا الاتجاه.
علاوة على ذلك ، يجب أن يكون هناك آلية من نوع ما لتحويل الطاقة البيئية إلى طاقة مطلوبة لإنتاج التنظيم الأعلى للنظام المعني. .
وبالتالي ، فإن أي نظام يواجه حتى نموًا مؤقتًا في الترتيب والتعقيد يجب ألا يكون "مفتوحًا" لطاقة الشمس فحسب ، بل يجب أن يحتوي أيضًا على "برنامج" لتوجيه النمو و "آلية" لتنشيط النمو.

نظرية الخلق العلمي ، حرره هنري موريس:

(ص 25) ينص القانون الثاني (قانون اضمحلال الطاقة) على أن كل نظام يُترك لأجهزته الخاصة يميل دائمًا إلى الانتقال من النظام إلى الفوضى ، وتميل طاقته إلى التحول إلى مستويات أقل من التوفر ، وأخيراً تصل إلى حالة التكملة. العشوائية وعدم التوفر لمزيد من العمل.

بالطبع ، التطبيق الخلقي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية على تطور الكائنات الحية لا يتوافق مع أي نموذج للأصول. يتغلب الخلقيون على هذه المشكلة من خلال استدعاء ما هو خارق للطبيعة:

فيضان التكوين ، بقلم ويتكومب وموريس:

(ص 223) ولكن خلال فترة الخلق ، كان الله يُدخل النظام والتنظيم في الكون بدرجة عالية جدًا ، حتى في الحياة نفسها! لذلك من الواضح تمامًا أن العمليات التي استخدمها الله في الخلق كانت مختلفة تمامًا عن العمليات التي تعمل الآن في الكون!

كما سيظهر لاحقًا ، فإن الانتروبيا الشاملة لنظام كامل أو مغلق فقط هي التي يجب أن تزداد عند حدوث تغيير عفوي. في حالة تفاعل الأنظمة الفرعية تلقائيًا لنظام مغلق ، قد يكتسب البعض الانتروبيا ، بينما قد يفقد البعض الآخر الانتروبيا. على سبيل المثال ، من البديهية الأساسية للديناميكا الحرارية أنه عندما تتدفق الحرارة من النظام الفرعي أ إلى النظام الفرعي ب ، فإن إنتروبيا أ وتزداد إنتروبيا ب. إن القول بأن الزيادة في الترتيب لا يمكن أن تحدث إلا نتيجة لآلية اتجاهية أو برنامج أو رمز مضلل. أي عملية يمكن إثبات حدوثها مع زيادة في الترتيب / النقص في الانتروبيا تعتبر بشكل تعسفي نتيجة "آلية توجيه" غير محددة.

الاحتمال ، كما هو مستخدم في الديناميكا الحرارية ، يعني احتمال حدوث تغيير معين. يرتبط الاحتمال بمفهوم الديناميكا الحرارية لعدم التراجع. التغيير الفيزيائي أو الكيميائي الذي لا رجعة فيه هو تغيير لن يعكس نفسه تلقائيًا دون بعض التغيير في الظروف المحيطة. التغييرات التي لا رجعة فيها لها درجة عالية من الاحتمال. إن احتمال حدوث تغيير لا رجعة فيه يعكس نفسه تلقائيًا دون تدخل خارجي هو صفر.

عندما نقول أن التغيير لا رجوع فيه (بمعنى الديناميكا الحرارية) فهذا يعني فقط أن التغيير لن يعكس نفسه تلقائيًا دون بعض التغيير في الظروف المحيطة. هذا لا يعني أنه لا يمكن عكسه بأي وسيلة على الإطلاق!

من المهم أن تتذكر أن التغيير الذي يحتوي على درجة عالية من الاحتمالية في ظل مجموعة واحدة من الظروف قد يكون له درجة احتمالية منخفضة جدًا في ظل مجموعة مختلفة من الظروف. للتوضيح: إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون درجة التجمد ، فإن احتمال تحول الماء إلى جليد مرتفع للغاية. التغيير من الماء إلى الجليد لا رجوع فيه من الناحية الديناميكية الحرارية. إذا حدث ارتفاع في درجة الحرارة المحيطة فوق نقطة التجمد ، فإن احتمالية أن يصبح الماء جليدًا ، أو أن يبقى كجليد ، هو صفر. في ظل هذه الظروف ، يكون التغيير العكسي للجليد إلى الماء السائل لا رجوع فيه من الناحية الديناميكية الحرارية.

أدى الفشل في فهم أن الاحتمالات ليست كيانات ثابتة في الديناميكا الحرارية إلى سوء تفسير مسؤول عن الانتشار الواسع والاعتقاد الخاطئ تمامًا بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يسمح للنظام بالظهور تلقائيًا من الفوضى. في الواقع ، هناك العديد من الأمثلة في الطبيعة حيث ينشأ الترتيب تلقائيًا من الفوضى: تتشكل رقاقات الثلج مع تناظرها البلوري سداسي الجوانب تلقائيًا من جزيئات بخار الماء المتحركة بشكل عشوائي. تتشكل الأملاح ذات المستويات الدقيقة من التناظر البلوري تلقائيًا عندما يتبخر الماء من المحلول. تنبت البذور في النباتات المزهرة ويتطور البيض إلى كتاكيت.

الديناميكا الحرارية علم دقيق يعتمد على عدد محدود من المفاهيم الرياضية المحددة. لا يمكن تفسيره من حيث الاستعارات النوعية. من أجل فهم العلاقة بين الاحتمال والقانون الثاني ، يجب أن يكون القارئ على دراية بالعلاقة بين الاحتمال والإنتروبيا. الانتروبيا هو كيان محدد رياضيًا وهو الأساس الأساسي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية وجميع تشعباته الهندسية والكيميائية الفيزيائية.

سنحاول في الأقسام التالية شرح العلاقة الحقيقية بين الانتروبيا والاحتمال وإظهار لماذا لا تمنع هذه العلاقة إمكانية النظام الناشئ تلقائيًا عن الفوضى.

عند وصف قوانين الديناميكا الحرارية ، نشير غالبًا إلى "الأنظمة". النظام هو كيان أو كائن أو منطقة محددة في الفضاء ليتم تقييمها من حيث خصائصها الديناميكية الحرارية والتغييرات المحتملة. يمكن أن يكون مكعب ثلج أو بالون لعبة أو توربين بخاري أو حتى الأرض بأكملها.

يعتبر مفهوم الانتروبيا أساسيًا لفهم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. يُعرَّف الانتروبيا (أو بشكل أكثر تحديدًا ، الزيادة في الانتروبيا) على أنه الحرارة (بالسعرات الحرارية أو Btu's) التي يمتصها النظام ، مقسومة على درجة الحرارة المطلقة للنظام في وقت امتصاص الحرارة. درجة الحرارة المطلقة هي عدد الدرجات فوق "الصفر المطلق" ، أبرد درجة حرارة يمكن أن توجد.

يمثل الانتروبيا الكلية في النظام بالرمز S. يستخدم الرمز S لتمثيل تغيير معين في محتوى الانتروبيا للنظام. إذا تم استخدام الرمز q لتمثيل كمية الحرارة التي يمتصها النظام ، فإن معادلة زيادة الانتروبيا الناتجة هي:
حيث T هي درجة الحرارة المطلقة. عندما يتم امتصاص الحرارة ، تزداد إنتروبيا النظام عندما تتدفق الحرارة خارج النظام ، وتقل إنتروبيا.

"محيط" النظام هو كل شيء خارج النظام يمكن أن يتفاعل معه ، ويمكن عادةً تعريف البيئة المحيطة به على أنها المساحة التي تحيط بالنظام. عندما تتطور الحرارة بواسطة نظام ما ، فإن نفس الحرارة تمتص بواسطة محيطه. عندما يمتص نظام ما الحرارة ، يجب أن تأتي نفس الحرارة بالضرورة من محيطه. لذلك ، فإن أي زيادة في الانتروبيا في النظام بسبب تدفق الحرارة يجب أن تكون مصحوبة بانخفاض في الإنتروبيا في المناطق المحيطة ، والعكس صحيح. عندما تتدفق الحرارة تلقائيًا من منطقة أكثر سخونة إلى منطقة أكثر برودة ، فإن انخفاض الانتروبيا في المنطقة الأكثر سخونة سيكون دائمًا أقل من زيادة الانتروبيا في المنطقة الأكثر برودة ، لأنه كلما زادت درجة الحرارة المطلقة ، كلما قل تغير الانتروبيا لأي تدفق حراري معين . (انظر المعادلة 1 أعلاه)

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك تغير الانتروبيا عندما يتم إسقاط صخرة كبيرة عند 500 درجة مطلقة في الماء عند 650 درجة مطلقة. (نحن نستخدم مقياس درجة حرارة مطلقة على أساس درجة فهرنهايت على هذا المقياس ، يتجمد الماء عند 492 درجة.) لكل وحدة حرارية بريطانية من الحرارة التي تتدفق إلى الصخر عند درجات الحرارة هذه ، تكون زيادة الكون في الصخر 1/500 = 0.0020 و انخفاض الكون في الماء هو 1/650 = 0.0015. الفرق بين هذه القيم هو 0.0020 - 0.0015 = 0.0005. هذا يمثل الزيادة الشاملة في الانتروبيا للنظام (الصخور) والمناطق المحيطة بها (الماء).

بالطبع سوف ترتفع درجة حرارة الصخور ، ويبرد الماء إلى درجة حرارة متوسطة بين درجات الحرارة الأصلية ، مما يعقد بشكل كبير حساب التغير الكلي في الانتروبيا بعد تحقيق التوازن. ومع ذلك ، مقابل كل وحدة حرارية بريطانية من الحرارة المنقولة من الماء إلى الصخور ، ستكون هناك دائمًا زيادة في الانتروبيا الصافية الشاملة.

كما ذكرنا من قبل ، التغيير التلقائي هو تغيير لا رجوع فيه. لذلك يمكن استخدام زيادة في صافي الإنتروبيا الإجمالية كمقياس لعدم رجوع تدفق الحرارة العفوي.

يمكن أن تحدث التغييرات التي لا رجعة فيها في النظام ، وغالبًا ما تحدث ، على الرغم من أنه قد لا يكون هناك تفاعل ، وتدفق حراري ضئيل ، بين النظام والمناطق المحيطة. في مثل هذه الحالات يكون "محتوى" الإنتروبيا للنظام أكبر بعد التغيير أكثر من ذي قبل. حتى عندما لا يحدث تدفق الحرارة بين النظام والمناطق المحيطة ، فإن التغييرات التلقائية داخل نظام معزول تكون مصحوبة دائمًا بزيادة في إنتروبيا النظام ، ويمكن استخدام هذه الزيادة المحسوبة في الانتروبيا كمقياس لعدم الرجوع. سوف تشرح الفقرات التالية كيف يمكن حساب هذه الزيادة في الانتروبيا ، على الأقل في بعض الحالات.

إنها بديهية للديناميكا الحرارية أن الانتروبيا ، مثل درجة الحرارة والضغط والكثافة وما إلى ذلك ، هي خاصية للنظام وتعتمد فقط على الحالة الحالية للنظام. بغض النظر عن الإجراءات المتبعة لتحقيق حالة معينة ، فإن محتوى الانتروبيا لهذا الشرط هو نفسه دائمًا. بمعنى آخر ، لأي مجموعة معينة من القيم للضغط ودرجة الحرارة والكثافة والتركيب وما إلى ذلك ، يمكن أن يكون هناك قيمة واحدة فقط لمحتوى الانتروبيا. من الضروري أن نتذكر هذا: عندما يتم استعادة النظام الذي خضع لتغيير لا رجوع فيه إلى حالته الأصلية (نفس درجة الحرارة والضغط والحجم وما إلى ذلك) ، فإن محتوى الانتروبيا الخاص به سيكون هو نفسه كما كان من قبل.

في الحالات التي يخضع فيها النظام المعزول لزيادة الانتروبيا كنتيجة لتغير تلقائي داخل النظام ، يمكننا حساب زيادة الانتروبيا من خلال افتراض إجراء يتم بموجبه نقل زيادة إنتروبيا النظام إلى المناطق المحيطة بطريقة لا يوجد بها المزيد زيادة في صافي الإنتروبيا ويتم استعادة النظام إلى حالته الأصلية. يمكن بعد ذلك حساب زيادة الانتروبيا في المناطق المحيطة بسهولة بالمعادلة (1): S = q / T ، حيث q = الحرارة التي تمتصها البيئة المحيطة ، و T = درجة الحرارة المطلقة للمحيط.

وتجدر الإشارة إلى أنه عندما يتم استعادة النظام إلى حالته الأصلية ، فإن محتوى الانتروبيا الخاص به سيكون هو نفسه كما كان قبل تغييره الذي لا رجوع فيه. لذلك يجب أن تكون كمية الانتروبيا التي تمتصها البيئة المحيطة أثناء الاستعادة بالضرورة هي نفسها زيادة الانتروبيا المصاحبة للتغيير الأصلي الذي لا رجعة فيه للنظام ، بشرط عدم وجود زيادة أخرى في صافي الانتروبيا أثناء الاستعادة.

إن إجراء الاستعادة المفترض والخصائص المفترضة للمحيط هي لغرض الحساب فقط. نظرًا لأننا لا نتعامل مع المناطق المحيطة على هذا النحو ، فيمكن افتراضها بأي شكل ضروري لتبسيط الحسابات ، فليس من الضروري أو المرغوب فيه أن تتوافق البيئة المحيطة مع أي حالة يمكن أن تكون موجودة بالفعل. لذلك ، سوف نفترض إجراء استعادة نظريًا يحدث بدون زيادة أخرى في صافي الإنتروبيا ، على الرغم من أنه لا يمكن الحصول على مثل هذا الإجراء تجريبيًا.

إن عملية الاستعادة ، إذا كانت ستحدث في الواقع ، يجب أن تكون مصحوبة بكمية صغيرة على الأقل من اللارجعة ، وبالتالي زيادة إضافية في إنتروبيا البيئة المحيطة خارج الانتروبيا من التغيير الأصلي للنظام الذي لا رجعة فيه. هذا لأن الحرارة لن تتدفق بدون اختلاف في درجة الحرارة ، ولا يمكن القضاء على الاحتكاك تمامًا ، وما إلى ذلك. لذلك ، يجب افتراض أن عملية الاستعادة ، إذا كانت ستحدث بدون زيادة أخرى في الانتروبيا الكلية الكلية ، يجب أن تحدث بدون اللارجعة. إذا أمكن تحقيق مثل هذه العملية فعليًا ، فستتميز بحالة توازن مستمرة (أي عدم وجود فروق في الضغط أو درجة الحرارة) وستحدث بمعدل بطيء جدًا بحيث يتطلب وقتًا غير محدود. عمليات مثل هذه تسمى عمليات "عكسية". تذكر أن العمليات القابلة للانعكاس مفترضة لتبسيط حساب تغير الانتروبيا في نظام ما ، فليس من الضروري أن تكون قابلة للتحقيق تجريبيًا.

لا ينبغي افتراض أن المعادلة (1) تتطلب بالضرورة امتصاص q ، الحرارة الممتصة ، بشكل عكسي. إن مفهوم الانعكاس هو مجرد وسيلة لتحقيق غاية: حساب تغير الإنتروبيا المصاحب لعملية لا رجعة فيها.

سيوضح المثال التالي حساب عملية الاستعادة العكسية وفي نفس الوقت يطور المعادلة التي تشكل أساس العلاقة الديناميكية الحرارية بين الاحتمال والقانون الثاني. سوف نفترض نظامًا يتكون من غاز "مثالي" موجود في خزان متصل بخزان ثان تم إخلاؤه تمامًا ، مع إغلاق الصمام الموجود بين الخزانين. من المفترض أن تكون درجة حرارة النظام ومحيطه هي نفسها. الغاز المثالي هو الغاز الذي تكون جزيئاته صغيرة بشكل غير محدود وليس لها قوى جذابة أو مثيرة للاشمئزاز مع بعضها البعض. (في ظل الظروف العادية ، يقترب الهيدروجين والهيليوم من خصائص الغاز المثالي.) يتم اختيار الغاز المثالي من أجل تطوير العلاقة الأساسية دون إدخال عوامل تصحيح معقدة لحساب حجم الجزيئات والقوى التي تمارسها على بعضها البعض .

عند فتح الصمام ، يتمدد الغاز بشكل لا رجعة فيه من V1 (حجمه الأصلي) إلى V2 (حجم كلا الخزانين). لا يوجد عمل ضغط من قبل أو على المناطق المحيطة. نظرًا لأن الغاز مثالي ، فلا يوجد تغيير في درجة الحرارة ، وبالتالي لا يحدث تدفق حراري.

بعد التمدد بشكل لا رجعة فيه من V1 إلى V2 ، تتم استعادة الغاز إلى حالته الأصلية عن طريق ضغطه بشكل عكسي مرة أخرى إلى V1. يتطلب هذا الضغط الشغل (القوة المطبقة من خلال مسافة) والتي بدورها تولد الحرارة في الغاز ، والحرارة التي تمتصها البيئة المحيطة بحيث لا تحدث زيادة في درجة حرارة الغاز. في نموذجنا الرياضي لعملية الاستعادة العكوسة هذه ، يُفترض أن تكون المناطق المحيطة كبيرة جدًا بحيث لا تخضع أيضًا لأي زيادة في درجة الحرارة. تظل درجة الحرارة T دون تغيير أثناء عملية التمدد غير القابلة للانعكاس بأكملها وعملية الاستعادة القابلة للانعكاس اللاحقة.

عمل ضغط الغاز أثناء الاستعادة يساوي ضغط الغاز مضروبًا في تغيير الحجم بسبب الضغط. نظرًا لزيادة الضغط أثناء الضغط ، يجب تحديد عمل الضغط بواسطة حساب التفاضل والتكامل:
تشير علامة التكامل إلى جمع كل القيم الفردية لـ PdV.

المعادلة المتعلقة بدرجة الحرارة والضغط وحجم الغاز المثالي هي:

في حالة الانضغاط العكسي والمتساوي الحرارة لغاز مثالي ، قد نستبدل P من المعادلة (2) في معادلة عمل الضغط. عندما يتم ذلك ، لدينا:

على الرغم من أنه ليس من الضروري أن تكون عملية الاستعادة المفترضة القابلة للعكس قادرة على التنفيذ بالمعنى العملي ، إلا أنه من المفيد أحيانًا أن تكون قادرًا على تصور العملية. تحقيقا لهذه الغاية ، قد يفكر القارئ في استعادة عملية الضغط التي تحدث عن طريق مكبس تم تركيبه في نهاية الخزان الثاني. عند الضغط من V2 إلى V1 ، يتحرك المكبس لأسفل بطول الخزان الثاني ، وبدون احتكاك ميكانيكي يجبر كل الغاز الموجود فيه على العودة إلى الخزان الأول V1.

نظرًا لأن عمل الضغط يساوي q ، الحرارة التي تمتصها المناطق المحيطة ، يمكن استبدال q في المعادلة (3) لإعطاء: من المعادلة (1) الانتروبيا التي اكتسبتها البيئة المحيطة أثناء الاستعادة من V2 إلى V1 هي: الاستبدال من المعادلة (4):

عند الدمج (إجراء حساب التفاضل والتكامل لتلخيص القيم الفردية لـ dV / V) لدينا: حيث ln (V2 / V1) هو اللوغاريتم الطبيعي لنسبة الحجم الموسع إلى الحجم الأولي ، و S يساوي زيادة الانتروبيا في المناطق المحيطة عند ضغط الاستعادة من V2 إلى V1. كما رأينا ، S تساوي أيضًا زيادة الكون في الغاز الناتج عن تمدده الأصلي من V1 إلى V2. هذا لأن V1 هو نفس الحجم قبل التمدد وبعد ضغط الاستعادة ، وبالتالي له نفس محتوى الانتروبيا. لذلك فإن الانتروبيا المنقولة إلى المناطق المحيطة أثناء الاستعادة تساوي تلك التي اكتسبها النظام في التوسع من V1 إلى V2.

نسبة احتمال توزيع جميع جزيئات الغاز بالتساوي بين الخزانين إلى احتمال أن تكون جميع الجزيئات ، من تلقاء نفسها وبحركة عشوائية ، في الخزان V1 تساوي (V2 / V1) N ، حيث N هو عدد الجزيئات.

إذا كانت V2 / V1 تساوي 2.0 ، على سبيل المثال ، و N تساوي 10 ، فإن نسبة الاحتمال ستكون 2 إلى القوة العاشرة ، أو 1024. بالنسبة إلى N = 100 ، ستكون النسبة تقريبًا 1.27 في 10 إلى القوة 30 . من الواضح أن الحركة العشوائية لتريليونات جزيئات الغاز تفضل بشدة التوزيع المنتظم. من معادلة الاحتمال ، لدينا: أخذ اللوغاريتم الطبيعي لكلا الجانبين ، ثم ضرب كلا الجانبين في R ، ثابت الغاز: الاستبدال في المعادلة (5):

تمثل المعادلة (6) العلاقة الأساسية بين الاحتمال والقانون الثاني للديناميكا الحرارية. تنص على أن الانتروبيا في النظام الغازي تزداد عندما يتغير توزيعه الجزيئي من احتمال أقل إلى احتمال أعلى (X2 أكبر من X1).

بناءً على الاعتقاد بأن قوانين الديناميكا الحرارية عالمية ، تم افتراض أن هذه المعادلة تنطبق على جميع الأنظمة ، وليس الغازية فقط. بمعنى آخر ، أي تغيير في الكون يتناسب مع لوغاريتم نسبة الاحتمالات. لذلك ، يمكن كتابة المعادلة (6) للحالة العامة: حيث K ثابت اعتمادًا على التغيير المعين المعني. ومع ذلك ، نادرًا ما تكون القيم الفردية لـ K أو X1 أو X2 معروفة للأنظمة غير الغازية.

كما رأينا من قبل ، يمكن أن تكون S إما موجبة أو سلبية.عندما تكون S سالبة يمكن كتابة المعادلة (7): لذلك يمكن للنظام أن ينتقل من حالة أكثر احتمالا (X2) إلى حالة أقل احتمالا (X1) ، مما يوفر S للنظام سالب. في الحالات التي يتفاعل فيها النظام مع ما يحيط به ، يمكن أن يكون S سالبًا مما يوفر الانتروبيا الشاملة للنظام ويكون محيطه المتفاعل إيجابيًا ، ويمكن أن يكون التغيير الكلي إيجابيًا إذا كانت زيادة الانتروبيا في المناطق المحيطة أكبر عدديًا من الانتروبيا انخفاض في النظام.

في حالة تكوين الجزيئات المعقدة المميزة للكائنات الحية ، يثير أنصار الخلق النقطة التي مفادها أنه عندما تتحلل الكائنات الحية بعد الموت ، تحدث عملية الاضمحلال مع زيادة في الانتروبيا. كما يشيرون ، بشكل صحيح ، إلى أن التغيير التلقائي في النظام يحدث بدرجة عالية من الاحتمال. ومع ذلك ، فقد فشلوا في إدراك أن الاحتمال نسبي ، ويمكن عكس التغيير التلقائي في النظام ، مما يوفر تفاعل النظام مع محيطه بطريقة تجعل زيادة الانتروبيا في المناطق المحيطة أكثر من كافية لعكس النظام الأصلي. زيادة الانتروبيا.

يمكن أن يؤدي استخدام الطاقة إلى عكس رد فعل تلقائي "لا رجوع فيه" ديناميكيًا حراريًا. سوف تحترق الأوراق تلقائيًا (تتحد مع الأكسجين) لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون. ستنتج طاقة الشمس ، من خلال عملية التمثيل الضوئي ، أوراقًا من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون ، وتشكل الأكسجين.

إذا قمنا بفصل الثلاجة ، ستتدفق الحرارة إلى الداخل من المناطق المحيطة ، وستكون زيادة الانتروبيا داخل الثلاجة أكبر من انخفاض الانتروبيا في البيئة المحيطة ، ويكون التغيير الصافي للإنتروبيا موجبًا. إذا قمنا بتوصيله ، يتم عكس هذا التغيير التلقائي "الذي لا رجوع فيه". نظرًا لإدخال الطاقة الكهربائية إلى الضاغط ، فإن الحرارة المنقولة إلى المناطق المحيطة من ملفات المكثف تكون أكبر من الحرارة المستخرجة من الثلاجة ، وزيادة الكون المحيط أكبر من انخفاض الانتروبيا في الداخل ، على الرغم من من حقيقة أن درجة حرارة البيئة المحيطة أعلى. هنا مرة أخرى ، يكون التغيير الصافي في الانتروبيا إيجابيًا ، كما هو متوقع لأي عملية عفوية.

بطريقة مماثلة ، يمكن لتطبيق الطاقة الكهربائية عكس التفاعل التلقائي للهيدروجين والأكسجين لتكوين الماء: عندما يمر تيار من خلال محلول مائي ، يتم تحرير الهيدروجين في أحد القطبين ، والأكسجين في القطب الآخر.

كما يمكن تأكيده بسهولة تجريبياً ، فإن هياج الماء يرفع درجة حرارته. عندما يسقط الماء بحرية من ارتفاع أعلى إلى ارتفاع منخفض ، تتغير طاقته من جهد إلى حركي ، وأخيراً إلى تسخين عندما يتناثر في نهاية السقوط. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الماء لن يرفع نفسه تلقائيًا إلى ارتفاعه الأصلي باستخدام الحرارة الناتجة عن الرش كمصدر وحيد للطاقة. للقيام بذلك يتطلب محركًا حراريًا يحول كل حرارة الرش إلى طاقة ميكانيكية.

كفاءة المحرك الحراري محدودة ديناميكيًا بواسطة دورة كارنو ، والتي تحد من كفاءة أي محرك حراري إلى T / T ، حيث T هي زيادة درجة الحرارة بسبب الرش ، و T هي درجة الحرارة المطلقة. نظرًا لأن T ليس سوى جزء صغير من T ، فلا يوجد جهاز يمكن بناؤه يسمح لكل الماء بالقفز تلقائيًا إلى ارتفاعه السابق.

يمكننا ، من الناحية النظرية على الأقل ، حساب الزيادة في إنتروبيا الماء الناتجة عن التغيير الذي لا رجعة فيه في السقوط. بطريقة مماثلة لتلك المستخدمة في المثال السابق ، فإن زيادة الانتروبيا ستكون مساوية للحرارة الناتجة عن إثارة الرش ، مقسومة على درجة الحرارة المطلقة. إذا تم استخراج بعض طاقة الماء المتساقط بواسطة عجلة مائية ، فستكون هناك حرارة أقل من الرش ، وبالتالي ستزداد إنتروبيا أقل.

يمكن أن يستخرج التوربين المصمم بشكل صحيح معظم الطاقة الحركية للماء. هذا ليس نفس الشيء مثل محاولة استخدام حرارة الرش كمصدر للطاقة لمحرك حراري لرفع الماء. بمعنى آخر ، استخدام الطاقة قبل أن تصبح حرارة أكثر كفاءة من محاولة استخدامها بعد أن تصبح حرارة.

إذا تم توصيل عجلة مائية بواسطة أعمدة وأحزمة وبكرات وما إلى ذلك بمضخة ، يمكن للمضخة رفع المياه من الجانب السفلي لعجلة المياه إلى ارتفاع أعلى من ارتفاع خزان المنبع. سيرفع بعض الماء نفسه تلقائيًا إلى ارتفاع أعلى من المستوى الأصلي ، لكن ينتهي الأمر بالباقي أسفل عجلة الماء على جانب مجرى النهر.

في حين أنه من غير الممكن لكل الماء أن يرفع نفسه إلى ارتفاع أعلى من ارتفاعه الأولي ، فمن الممكن لبعض الماء أن يرفع نفسه تلقائيًا إلى ارتفاع أعلى من الارتفاع الأولي.

كما هو الحال مع أي تغيير آخر لا رجوع فيه ، ستكون هناك زيادة في الانتروبيا الشاملة. هذا يعني أن زيادة الانتروبيا في الماء الذي يمر فوق العجلة أكبر من انخفاض الانتروبيا في الماء الذي يتم ضخه إلى الارتفاع الأعلى.

سيتم تأكيد ذلك رياضيا في الفقرات التالية. سوف يرمز إلى الحرف اليوناني جاما ، والذي يمثل وزن الوحدة بالجنيه لكل قدم مكعب. سيتم تمثيل الزيادة في قيمة المعلمة بواسطة. من معادلة التدفق ، الطاقة الداخلة = الطاقة الخارجة: إجمالي الطاقة المتاحة ، h ، مقسمة إلى عمل المضخة ، f (h + h) ، والطاقة المفقودة ، TS: إعادة الترتيب: عندما لا يتم عمل المضخة ، إذن: دمج المعادلات (8) و (9) نحصل على: في حالة سقوط الماء بحرية دون تدوير عجلة المياه أو تشغيل المضخة: توضح المعادلة (10) أن S 'أكبر من S ، وأن الانتروبيا تزداد بسبب المضخة يتم "دعم" الاحتكاك والاضطراب في اتجاه مجرى النهر من خلال زيادة الانتروبيا الأكبر التي تحدث عندما يسقط الماء بحرية. توضح المعادلة (10) أيضًا أنه كلما انخفضت قيمة S ، زادت كفاءة المضخة ، وزادت قيمة جزء الماء الذي يتم ضخه f.

يفترض أنصار الخلق أن التغيير الذي يتميز بانخفاض الانتروبيا لا يمكن أن يحدث تحت أي ظرف من الظروف. في الواقع ، يمكن أن يحدث نقصان تلقائي في الانتروبيا ، ويحدث ، طوال الوقت ، مما يوفر طاقة كافية متاحة. حقيقة أن عجلة المياه والمضخة عبارة عن بدائل صنعها الإنسان ليس لها أي تأثير على الحالة: الديناميكا الحرارية لا تهتم بالوصف التفصيلي لنظام ما ، فهي تتعامل فقط مع العلاقة بين الحالات الأولية والنهائية لنظام معين (في هذا حالة ، عجلة المياه والمضخة).

الحجة المفضلة لدى الخلقيين هي أن احتمالية حدوث التطور هي تقريبًا نفس احتمالية أن إعصارًا ينفجر في ساحة خردة يمكن أن يشكل طائرة. يبنون هذه الحجة على اعتقادهم أن التغيرات في الكائنات الحية لها احتمالية منخفضة للغاية ولا يمكن أن تحدث بدون "تصميم ذكي" يتغلب على قوانين الديناميكا الحرارية. هذا يمثل تناقضًا جوهريًا حيث (يقولون) التطور غير متسق مع الديناميكا الحرارية لأن الديناميكا الحرارية لا تسمح للنظام بالظهور تلقائيًا من الفوضى ، لكن الخلق (تحت ستار التصميم الذكي) لا يجب أن يكون متسقًا مع قوانين الديناميكا الحرارية.

إن أبسط تشبيه لسيناريو الطائرة / المخلفات هو تكديس ثلاث كتل مرتبة فوق بعضها البعض. للقيام بذلك ، مطلوب تصميم ذكي ، لكن التكديس لا ينتهك قوانين الديناميكا الحرارية. تنطبق نفس العلاقات على هذا النشاط كما هو الحال مع أي نشاط آخر يتضمن تغييرات في الطاقة الديناميكية الحرارية. صحيح أن الكتل لن تكدس نفسها ، ولكن فيما يتعلق بالديناميكا الحرارية ، كل ما هو مطلوب هو الطاقة لالتقاطها ووضعها فوق الأخرى. ترتبط الديناميكا الحرارية فقط بعلاقات الطاقة في الانتقال من الحالة أ إلى الحالة ب. إذا سمحت علاقات الطاقة ، فقد يحدث التغيير. إذا لم يسمحوا بذلك ، لا يمكن أن يحدث التغيير. لن تقفز الكرة تلقائيًا من الأرض ، ولكن إذا سقطت ، فسوف ترتد تلقائيًا عن الأرض. سواء تم رفع الكرة عن طريق التصميم الذكي أو حدث سقوطها للتو ، فلا فرق.

من ناحية أخرى ، لا تستبعد الديناميكا الحرارية إمكانية التصميم الذكي ، فهي ببساطة ليست عاملاً فيما يتعلق بحساب الاحتمال الديناميكي الحراري.

بالنظر إلى الأرض كنظام ، فإن أي تغيير مصحوب بانخفاض في الإنتروبيا (وبالتالي العودة من احتمال أعلى إلى احتمال أقل) ممكن طالما تتوفر طاقة كافية. المصدر النهائي لمعظم تلك الطاقة ، بالطبع ، هو الشمس.

إن الحساب العددي لتغيرات الانتروبيا المصاحبة للتغيرات الفيزيائية والكيميائية مفهومة جيدًا وهي أساس التحديد الرياضي للطاقة الحرة وخصائص emf للخلايا الفولتية وثوابت التوازن ودورات التبريد ومعلمات تشغيل التوربينات البخارية ومجموعة من المعلمات الأخرى . سيتجاهل موقف الخلق بالضرورة الإطار الرياضي الكامل للديناميكا الحرارية ولن يوفر أي أساس للتصميم الهندسي للتوربينات ووحدات التبريد والمضخات الصناعية وما إلى ذلك. درجة الحرارة والضغط على ثوابت التوازن وتغيرات الطور.


[إن الرموز اليونانية والرياضية مقدمة من كارين ستروم من جامعة ماساتشوستس. يمكن تنزيلها هنا واستخدامها مع هذا الإسناد وبدون رسوم للأغراض غير الربحية فقط.]


إلى الأمام والخلف

قد تسمع المصطلح الانعكاس. يستخدم العلماء مصطلح قابلية الانعكاس لوصف الأنظمة التي تكون في حالة توازن مع نفسها والبيئة المحيطة بها. عندما يكون النظام في حالة توازن ، فإن أي تغيير يحدث في اتجاه واحد يتم موازنته بتغيير متساوٍ في الاتجاه المعاكس. الانعكاس يعني أنه يمكن عكس الآثار. هذا يعني أن النظام معزول (لا شيء يتدخل ، لا شيء يدخل أو يغادر). بشكل عام ، يكون تأثيرها وتغييرها على النظام صفرًا.


لماذا عندما تترك مكعب ثلج في درجة حرارة الغرفة ، يبدأ في الذوبان؟ لماذا نتقدم في السن ولا أصغر سنا؟ ولماذا عندما يتم تنظيف الغرف ، فإنها تصبح فوضوية مرة أخرى في المستقبل؟ تحدث أشياء معينة في اتجاه واحد دون الاتجاه الآخر ، وهذا يسمى & quotarrow of time & quot ، وهو يشمل كل مجال من مجالات العلم. السهم الديناميكي الحراري للزمن (الإنتروبيا) هو قياس الفوضى داخل النظام. يشير التغيير في الانتروبيا ، الذي يُشار إليه بـ ( Delta S ) ، إلى أن الوقت نفسه غير متماثل فيما يتعلق بترتيب النظام المعزول ، مما يعني أن النظام سيصبح أكثر اضطرابًا ، مع زيادة الوقت.

اللاعبون الرئيسيون في تطوير القانون الثاني

  • كان Nicolas L & eacuteonard Sadi Carnot عالمًا فيزيائيًا فرنسيًا ، يُعتبر & quot ؛ الأب الأب للديناميكا الحرارية ، & quot لأنه مسؤول عن أصول القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، بالإضافة إلى مفاهيم أخرى مختلفة. يستخدم الشكل الحالي للقانون الثاني الانتروبيا بدلاً من السعرات الحرارية ، وهو ما استخدمه سادي كارنو لوصف القانون. تتعلق السعرات الحرارية بالحرارة وأدرك سادي كارنوت أن بعض السعرات الحرارية تضيع دائمًا في دورة الحركة. وهكذا ، ثبت أن مفهوم الانعكاس الديناميكي الحراري خاطئ ، مما يثبت أن اللارجعة هي نتيجة كل نظام يتضمن العمل.
  • كان رودولف كلاوسيوس فيزيائيًا ألمانيًا ، وقد طور بيان كلاوزيوس ، الذي يقول & quot ؛ سخن بشكل عام لا يمكن أن تتدفق بشكل عفوي من مادة ذات درجة حرارة منخفضة إلى مادة ذات درجة حرارة أعلى. & quot
  • صاغ ويليام طومسون ، المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن ، بيان كلفن ، والذي ينص على: مستحيل لتحويل الحرارة بالكامل في عملية دورية. & quot ؛ هذا يعني أنه لا توجد طريقة لأحد لتحويل كل طاقة النظام إلى عمل ، دون فقد الطاقة.
  • أنشأ قسطنطين كاراث وعالم الرياضيات اليوناني بيانه الخاص عن المستوى المنخفض الثاني بحجة أنه & quot ؛ في جوار أي حالة أولية ، هناك حالات لا تستطيع يتم الاقتراب منها بشكل تعسفي من خلال التغييرات الثابتة للحالة. & quot

لفهم سبب زيادة الانتروبيا وتناقصها ، من المهم أن ندرك أن تغييرين في الانتروبيا يجب أن يؤخذ في الاعتبار في جميع الأوقات. تغير الانتروبيا في البيئة المحيطة وتغيير الانتروبيا في النظام نفسه. بالنظر إلى أن التغيير في الكون مكافئ لمجموع التغييرات في إنتروبيا النظام والمناطق المحيطة:

في التمدد العكسي متساوي الحرارة ، تكون الحرارة q التي يمتصها النظام من المناطق المحيطة

بما أن الحرارة التي يمتصها النظام هي المقدار الذي تفقده البيئة المحيطة ، (q_= -q_) لذلك ، من أجل عملية قابلة للعكس حقًا ، يكون التغيير في الإنتروبيا

ومع ذلك ، إذا كانت العملية لا رجعة فيها ، فإن تغير الانتروبيا يكون

إذا وضعنا المعادلتين لـ ( Delta S_) معًا لكلا النوعين من العمليات ، يتبقى لنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية ،

[ دلتا S_= دلتا S_+ دلتا S_ geq0 التسمية <5> ]

حيث ( Delta S_) يساوي صفرًا لعملية قابلة للعكس حقًا وأكبر من الصفر لعملية لا رجعة فيها. ومع ذلك ، في الواقع ، لا تحدث العمليات القابلة للعكس حقًا (أو ستستغرق وقتًا طويلاً للغاية حتى تحدث) ، لذلك من الآمن أن نقول إن جميع العمليات الديناميكية الحرارية التي نواجهها كل يوم لا رجوع فيها في الاتجاه الذي تحدث فيه.

يمكن أيضًا أن يذكر القانون الثاني للديناميكا الحرارية أن & quotall من تلقاء نفسها تنتج العمليات يزيد في إنتروبيا الكون & quot.


ثلاثة قوانين في علم الأحياء

لقد تم إحراز تقدم علمي هائل في القرون الأخيرة ، وتستمر الفترة الزمنية اللازمة لمضاعفة معرفتنا في التقلص. في العقود الأخيرة ، كان تسلسل الجينوم من الأنواع المتنوعة القوة الدافعة الأساسية وراء توسع المعرفة البيولوجية. لقد أصبح مركزيًا لدراسة التطور الجزيئي والكائن. إن التقنيات التي تمكّن ، على سبيل المثال ، الجينوميات والطب الجزيئي والحوسبة من المضي قدمًا في مثل هذه الخطى المترابطة السريعة ، تعتبر أساسية لفهمنا للمحيط الحيوي للأرض والحفاظ عليه للأجيال القادمة.

في السنوات الأخيرة ، كان علم الأحياء في طليعة العلم لأننا نلبي رغباتنا في فهم طبيعة الكائنات الحية وتاريخها التطوري. الأقوال التالية تستند إلى ركام من الأدلة. فقط عندما يتم دمج كل عبارة مع العبارات الأخرى ، تصبح الصورة الكاملة والمعقولة للحياة ممكنة. نحن نستعين بمساعدة المجتمع العلمي الدولي لإبلاغنا بأي تعديلات واستثناءات للعقيدة العلمية القائمة حتى يمكن تحسين مفاهيمنا باستمرار. فقط من خلال هذا النهج كان من الممكن وضع بعض القوانين الأساسية للبيولوجيا. قانون الأحياء الأول: تخضع جميع الكائنات الحية لقوانين الديناميكا الحرارية. القانون الثاني للبيولوجيا: تتكون جميع الكائنات الحية من خلايا مغلفة بغشاء. القانون الثالث للبيولوجيا: نشأت جميع الكائنات الحية في عملية تطورية.

قانون الأحياء الأول: تخضع جميع الكائنات الحية لقوانين الديناميكا الحرارية. هذا القانون أساسي لأن قوانين العالم غير الحي تحدد مسار الكون. يجب أن تمتثل جميع الكائنات الحية على جميع الكواكب ، بما في ذلك البشر ، لهذه القوانين. تحكم قوانين الديناميكا الحرارية تحولات الطاقة وتوزيعات الكتلة. الخلايا التي تتكون منها الكائنات الحية (انظر القانون الثاني) هي أنظمة مفتوحة تسمح لكل من الكتلة والطاقة بعبور أغشيتها. توجد الخلايا في أنظمة مفتوحة للسماح باكتساب المعادن والمغذيات والسمات الجينية الجديدة أثناء إخراج المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي والمواد السامة. يسمح التباين الجيني ، الذي ينتج جزئيًا من نقل الجينات في بدائيات النوى والتكاثر الجنسي في الكائنات الحية الأعلى ، بزيادة تباين النمط الظاهري بشكل كبير في مجموعة سكانية بالإضافة إلى معدل متسارع من الاختلاف التطوري.

النتيجة الطبيعية للقانون الأول هي أن الحياة تتطلب إنشاء نظام مؤقتًا في تناقض واضح مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك ، بالنظر إلى نظام مغلق تمامًا ، بما في ذلك المواد ومصادر الطاقة التي توفرها البيئة للحفاظ على الحياة ، فإن الكائنات الحية تؤثر على النظام بشكل صارم وفقًا لهذا القانون ، عن طريق زيادة العشوائية أو الفوضى (الانتروبيا). وبالتالي فإن استخدام الموارد من قبل الكائنات الحية يزيد من إنتروبيا العالم. النتيجة الطبيعية الثانية للقانون الأول هي موت كائن حي في حالة توازن كيميائي حيوي. عندما تصل الكائنات الحية إلى التوازن مع البيئة المحيطة بها ، فإنها لم تعد تُظهر جودة الحياة. تعتمد الحياة على مسارات كيميائية حيوية مترابطة للسماح بالنمو والتوليف الجزيئي والتكاثر. وبالتالي ، فإن جميع أشكال الحياة بعيدة عن التوازن مع بيئاتها.

القانون الثاني للبيولوجيا: تتكون جميع الكائنات الحية من خلايا مغلفة بغشاء. تسمح الأغشية المغلفة بالفصل المادي بين العالمين الحي وغير الحي. الفيروسات والبلازميدات والترانسبوزونات والبريونات والكيانات البيولوجية والأنانية الأخرى ليست حية. لا يمكنهم "الذات" التكاثر. يعتمدون على خلية حية لهذا الغرض. بالتعريف ، هم ، بالتالي ، ليسوا على قيد الحياة. النتيجة الطبيعية للقانون الثاني هي أن الخلية هي الهيكل الوحيد الذي يمكن أن ينمو وينقسم بشكل مستقل عن شكل حياة آخر. النتيجة الطبيعية الثانية للقانون الثاني هي أن كل أشكال الحياة مبرمجة بتعليمات وراثية. التعليمات الجينية مطلوبة لتقسيم الخلايا والتشكل والتمايز. من الكائنات بدائية النواة وحيدة الخلية إلى الأنسجة الطبيعية أو السرطانية في الحيوانات والنباتات متعددة الخلايا ، فإن التعليمات الجينية مطلوبة للحفاظ على الحياة.

القانون الثالث للبيولوجيا: نشأت جميع الكائنات الحية في عملية تطورية. يتنبأ هذا القانون بشكل صحيح بالعلاقة بين جميع الكائنات الحية على الأرض. يشرح كل أوجه التشابه والاختلاف المبرمجة. يحدث الانتقاء الطبيعي على المستويات العضوية (المظهرية) والجزيئية (النمط الجيني). يمكن للكائنات الحية أن تعيش وتتكاثر وتموت. إذا ماتوا دون أن يتكاثروا ، فعادة ما يتم إزالة جيناتهم من مجموعة الجينات ، على الرغم من وجود استثناءات. على المستوى الجزيئي ، يمكن للجينات وبروتيناتها المكوِّدة أن تتطور "بشكل أناني" ، ويمكن أن تتحد مع الجينات الأنانية الأخرى لتشكيل عوامل أنانية ووحدات وراثية وعناصر طفيلية وظيفية مثل الفيروسات.

نتيجتان طبيعيتان للقانون الثالث هما أن (1) جميع الكائنات الحية تحتوي على جزيئات كبيرة متماثلة (DNA ، RNA ، وبروتينات) مشتقة من سلف مشترك ، و (2) الشفرة الوراثية عالمية. توفر هاتان الملاحظتان دليلاً دامغًا على القانون الثالث للبيولوجيا. بسبب إعلانه الدقيق للقانون الثالث ، يعتبر الكثيرون تشارلز داروين أعظم عالم أحياء في كل العصور.

على الرغم من أن العلم يدفع باستمرار حدود معرفتنا إلى الوراء ، إلا أننا لن نعرف كل شيء أبدًا. في الواقع ، نحن لا نعرف حتى ما لا نعرفه. على سبيل المثال ، قد لا نعرف أبدًا كيف نشأت الحياة. على الرغم من أن الحياة قد تنتشر في جميع أنحاء الكون ، إلا أن الحياة ليست مطلوبة لاستمرارية المادة الجامدة ، أي أن الكائنات الحية ليست ضرورية للكون ليعمل. تستمر قوانين الفيزياء في التطبيق بغض النظر عن وجود الحياة.على حد علمنا ، لا يمكن للحياة أن تنشأ إلا من الحياة الموجودة مسبقًا. هذا بالطبع يطرح السؤال عن كيفية نشأة أول خلية (خلايا) حية. هل نشأت الحياة تلقائيًا من الطبيعة غير الحية مرة واحدة فقط أم أكثر من مرة؟ هل يمكن نقل الحياة بين الكواكب المستقبلة من خلال السفر في الفضاء؟ نحن ببساطة لا نعرف. الآليات التي ربما أدت إلى نشأة خلية قادرة على النمو والانقسام المستقل هي لغزا. هذا مجال من مجالات علم الأحياء سيتطلب قدرًا هائلاً من البحث العلمي إذا كان الدليل متاحًا على الإطلاق ، ولا توجد ضمانات.

لا يمكن كسر قواعد علم الأحياء والعلوم. إنها ليست قوانين مصطنعة من صنع الإنسان. إنها قوانين طبيعية تحكم كل أشكال الحياة بينما تتطور الكائنات الحية على كوكبنا. في العقود الأخيرة ، غيّر البشر محيطنا الحيوي المشترك مع نضوب الموارد والتلوث. نحن نعلم أن هذه الأنشطة قد أدت إلى خلل في توازن الطبيعة ، مما تسبب في انقراض الأنواع على نطاق واسع. يمكن أن تُعزى أهم أشكال التلوث إلى الكثير من البشر الذين يستهلكون الكثير من الموارد غير المتجددة بمعدل متزايد باستمرار. الكثير من هذا الضرر ناتج عن المتعة والجشع والصراع والرغبة في السلطة. بدرجات متفاوتة ، يقع اللوم علينا جميعًا.

لماذا يهاجم الكثير من الناس المحيط الحيوي بهذه الطريقة البدائية؟ البعض يجهل النتيجة. إنهم غافلون عن عواقب أفعالهم. إنهم لا يدركون أن التصرف غير الصحيح يمكن أن يكون له نتائج كارثية على محيطنا الحيوي ولنا جميعًا. إنهم لا يفهمون أن الانتقاء الطبيعي قاسي ويمكن أن يسبب معاناة وموتًا شديدين. إنهم لا يفكرون إلا في اللحظة ويرفضون قبول أن نسلهم هم الذين سيواجهون المصيبة. لا يزال آخرون يدركون تمامًا العواقب النهائية. ويجب على أولئك الذين يدركون منا اتخاذ إجراءات لنقل معرفتنا لمحاولة تجنب أو تأخير مصيرنا الذي فرضناه على أنفسنا. بحث هل أخبرنا أننا نهاجم محيطنا الحيوي ، وأن الكوكب لا يمكنه استيعاب عدد سكاننا البشري الهائل. نحن نعتمد على الموارد الطبيعية لاستمرار وجودنا ، لكننا لسنا مستدامين للعيش. هذا الكوكب لا يحتاج إلى مزيد من الاستهلاك والتلوث. إنه يئن تحت وطأة عدد سكاننا المتزايد باستمرار. سوف يكون الانتروبيا طريقها. قد يكون من المفيد أن يفهم الجميع العلم وعالمنا الطبيعي حتى يتمكنوا من التعرف على ما هو مطلوب لبقاء الجنس البشري مع بعض نوعية الحياة المعقولة والخطوة الأولى في هذا الاتجاه هي فهم القوانين الأساسية للفيزياء والكيمياء و علم الأحياء وكيف يحكمون محيطنا الحيوي ، الذي يتعرض حاليًا للاعتداء ويحتاج إلى الإنقاذ. ومع ذلك ، بدون الاحترام العميق للطبيعة والتعاطف مع الحياة ، وكل الحياة ، من المحتمل أن تكون المعرفة غير كافية. يجب أن نتطور إلى كائنات أكثر رعاية وحساسية ورحيمة.


II القانون الثاني للديناميكا الحرارية

  • 4. خلفية القانون الثاني للديناميكا الحرارية
    • 4. 1 القابلية للانعكاس واللارجعة في العمليات الطبيعية
    • 4. 2 الفرق بين التوسعات الحرة والمتساوية
    • 4. 3 ميزات العمليات القابلة للعكس
    • 4. 4 نقاط موحلة في الفصل 4
    • 5. 1 مفهوم وبيانات القانون الثاني
    • 5. 2 البيانات البديهية لقوانين الديناميكا الحرارية
      • 5. 2. 1 المقدمة
      • 5. 2. 2 قانون صفر
      • 5. 2. 3 القانون الأول
      • 5. 2. 4 القانون الثاني
      • 5. 2. 5 عمليات عكسية
      • 6. 1 قيود العمل التي يمكن أن يوفرها محرك حراري
      • 6. 2 مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري
      • 6. 3 تمثيل العمليات الديناميكية الحرارية في إحداثيات
      • 6. 4 دورة برايتون في - إحداثيات
        • 6. 4. 1 صافي العمل لكل وحدة تدفق كتلة في دورة برايتون
        • 6. 8. 1 الانتروبيا
        • 6. 8. 2 عمليات قابلة للعكس ولا رجعة فيها
        • 6. 8. 3 أمثلة على العمليات القابلة للعكس والتي لا رجوع فيها
        • 7. 1 تغيير الانتروبيا في خلط اثنين من الغازات المثالية
        • 7. 2 الأوصاف المجهرية والماكروسكوبية للنظام
        • 7. 3 تعريف إحصائي للإنتروبيا
        • 7. 4 التعريف الإحصائي للإنتروبيا والعشوائية
        • 7. 5 مثال عددي: توزيع التوازن
        • 7. 6 ملخص واستنتاجات
        • 8. 1 سلوك الأنظمة ذات المرحلتين
        • 8. 2 العمل ونقل الحرارة مع وسائط ثنائية الطور
        • 8. 3 دورة كارنو كدورة طاقة ذات مرحلتين
          • 8. 3. 1 مثال: دورة بخار كارنو


          شاهد الفيديو: تطبيقات على القانون الاول للديناميكا الحرارية (قد 2022).