Thermodynamics

תרמודינמיקה (תורת מעבר החום), ענף בפיסיקה העוסק בגדלים פיסיקליים מסוימים במערכות שבהן הטמפרטורה היא גודל בעל משמעות וחשיבות. לגדלים הנידונים אופי מאקרוסקופי ולא מיקרוסקופי, כלומר: התרמודינמיקה אינה עוסקת בתכונות של מרכיבים זעירים של החומר, אלא בתכונות של "גושי" חומר (כגון לחץ, נפח, צפיפות, טמפרטורה).

חוקי התרמודינמיקה

תורה זו התפתחה במאה ה-19, בעיקר עם המצאת מנוע הקיטור, והצורך בהרחבת המכניקה של ניוטון לשם תיאור התהליכים שמתרחשים בהם מעברי חום. בבסיסה עומדים שניים מעקרונות היסוד של הטבע:

1. שימור האנרגיה. בתהליכים תרמודינמיים ייתכן שינוי באנרגיה המכנית הכללית של מערכת, אך הוא מקוזז באמצעות תוספת חום או גריעתו. בכל תהליך ייתכנו מעברי אנרגיה בין גופים, ומעברים בין סוגי אנרגיה, אך סך האנרגיה הוא גודל נשמר. כך נשללת האפשרות של קיום מכונה מתמדת שתעבוד לעד ללא הספקה שוטפת של אנרגיה (פרפטואום מובילה מן הסוג הראשון).

2. גידול האנטרופיה. כמות האנרגיה המכנית עשויה לִפחות, תוך גידול תכולת החום של הגוף ובהקפדה על שימור האנרגיה הכוללת; אך אין אפשרות של קיום תהליך הפוך, שבו המערכת חוזרת לקדמותה תוך היפוך מושלם של תוספת החום בחזרה לאנרגיה מכנית. כך נשללת האפשרות לבנות מכונה שמקור האנרגיה היחיד שלה הוא קירור של גוף אחר ללא תוצאות נוספות (פרפטואום מובילה מן הסוג השני).

החוק השלישי של התרמודינמיקה מגדיר את האפס המוחלט, וקובע כי אפשר רק להתקרב מאוד אליו, אבל אי אפשר להגיע אליו ממש, משום שבמצב זה, אין למולקולות שום אנרגיה.

כל האמור לעיל מתייחס למערכות כוללניות שאין להן קשר עם גופים אחרים, ולא לתת-מערכות שאינן מבודדות. במערכות כאלה תיתכן הפיכת תהליכים, אך זאת עקב הוספת אנרגיה מבחוץ. כאן מופיע כיוון ברור של חץ הזמן. העתיד הוא הכיוון שבו פוחתת אנרגיה מכנית לטובת גידול בתכולת החום.

בכך שונה התרמודינמיקה שינוי מהותי מן המכניקה של ניוטון, שבה אין אפשרות להבחין בין עבר לעתיד. אפשר להגדיר גודל המסמל את החד-כיווניות של התהליכים, והוא האנטרופיה. האנטרופיה של מערכת מבודדת אינה קטֵנה לעולם. קיימים תהליכים הפיכים, שבהם האנטרופיה אינה משתנה, ותהליכים בלתי-הפיכים, שבהם היא גדלה. תהליך בלתי-הפיך הוא כזה שאם נסריט אותו ונקרין את סרט הצילום בכיוון ההפוך, נקבל תהליך בלתי-אפשרי (שפיכת מים מכוס אל הרצפה אפשרית, אך קפיצת המים מן הרצפה אל הכוס אינה מתארת תהליך מוכר מן הטבע).

תרמודינמיקה ושיווי משקל

המכניקה הסטטיסטית מסבירה את חוקי התרמודינמיקה כתוצאה הכוללת של התנהגות המרכיבים הזעירים של החומר (מולקולות). הסבר זה מחייב שימוש באמצעים סטטיסטיים, והוליד את הפיסיקה הסטטיסטית). הישגו הכביר של בולצמן ב-1866 היה הצגת הסבר סטטיסטי לגידול באנטרופיה ולקיומו של חץ הזמן בתרמודינמיקה. התרמודינמיקה הקלסית מתארת תיאור מלא את התהליכים ההפיכים המקשרים בין מצבים של שיווי משקל תרמי, והיא נקודת מוצא לתיאור תהליכים בלתי-הפיכים. לתהליכים אלה חשיבות רבה בפיסיקה, בכימיה ובביולוגיה.
לדוגמה: מערכת ביולוגית חיה רחוקה מאוד ממצב של שיווי משקל. זוהי מערכת פתוחה שאינה מוגדרת ע"י המולקולות המרכיבות אותה, שכן מולקולות אלה מתחלפות בתהליך התפתחותה (מניעת כניסה ויציאה של חומר ואנרגיה למערכת תביא למותה). היא גם אינה מוגדרת ע"י כמות המולקולות, שכן עם התפתחותה כמות זו משתנה (לדוגמה: גדילה מן הלידה והלאה). כיוון שהמערכת אינה מבודדת תיתכן הקטנה של האנטרופיה שלה, והיא אכן מתרחשת. עם זה, תהליך החיים (מלידה עד מוות והיווצרות דורות חדשים) הוא תהליך בלתי-הפיך מובהק.

התרמודינמיקה הליניארית עוסקת בתהליכים הקרובים לשיווי משקל. התרמודינמיקה האי-ליניארית (שהחלה מתפתחת במחצית השנייה של המאה ה-20) עוסקת בתהליכים רחוקים מאוד משיווי משקל.

עוד קצת חומר

http://library.advanced.org/12580

www.bgu.ac.il/chem_eng/pages/Courses/rachel%20courses/thermo1/lecture1.doc