تحلیلی از جنبه های فلسفی قوانین ترمودینامیک
بخش دوم

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]


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.


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. 2.1 تحلیل منطقی از قانون اول ترمودینامیک 2.3 آیا می توان امتناع رفتار آزاد را از قانون اول استنتاج کرد؟ 2.2 نتایج فلسفی قانون اول