تحلیلی از جنبه های فلسفی قانون دوم ترمودینامیک
چکیده : در این مقاله تحلیلی از جنبه های فلسفی و منطقی استدلال در قانون دوم ترمودینامیک براساس دیدگاههای کلاسیک فلسفهء علم ارا ئه میشود . آیاقانون دوم ترمودینامیک حکمی عام ومسلم ازاعیان خارجی و منافی اراده آزاد است؟
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- پلانکو 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 کلازیوسبا نشان داده می شود که نقض بیان کلازیوس منجر به نقض بیان کلوین- پلانک می شود. وسیله ناقض بیان کلازیوس یک پمپ حرارتی است که نیازی به کار ندارد. به دلیل اینکه انتقال حرارت خالص با منبع درجه حرارت پایین وجود ندارد پس پمپ حرارتی و موتور حرارتی و منبع درجه حرارت بالا مشتمل بر یک سیکل ترمودینامیکی است اما فقط با یک مخزن تبادل حرارت داردبنابراین نتیجه می شود کهناقضبیان کلوین- پلانک می باشد. و گفته می شود تساوی کامل این دو بیان هنگامی اثبات می شود که نقض بیان کلوین- پلانک نیز موجب نقض بیان کلازیوس بشود. با این وصف باید بپذیریم که دو بیان فوق, منتج از یکدیگر هستند. " در اثبات معادل بودن چند گزاره اگر عبارتی بصورت B ↔A بیان شده باشد آنگاه B نتیجه A است و A هم نتیجه B, بعبارت دیگر AوB معادل یکدیگر هستند, بالعکس اگر A وBمعادل یکدیگرباشند,هریک از آنها نتیجه دیگری است."معادل بودن دو بیان کلوین- پلانک و کلازیوس را می توان با استفاده از قانون لایب نیتس نشان داد که می گوید: اگر Aو Bیکسان و همانند باشند باید تمام ویژگیها و خاصه های آنها نیز یکسان باشد.از اصل لایب نیتسگاهی به عنوان اصلنامتمایز بودن همانها indescernibility ofidenticals))یاد می شود.در واقع این اصل منطقی بیان می دارد که " اگر یک ویژگی یافت شود که A آن را داراست اما B فاقد آن است بنابراین A وBموجودیتهای مجزایی خواهند بود." دو بیان کلازیوس و کلوین- پلانک معادل یکدیگرند زیرا که هر دو متضمن این ویژگی هستند که ساخت یک ماشین حرکت دائمی Perpetualmovementmachine))ممکن نمی باشد. روشهای اثبات منطقی در بسیاری از قضایای ترمودینامیک بر پایهء آزمایشهای ذهنی می باشد. نظیر اثبات قضایای کارایی سیکل کارنو که در آن نخست فرضی را مطرح کرده و سپس نشان داده می شود که آن فرض به نتایج غیرممکن می انجامد و چون روش استدلال در این آزمایش ذهنی نوعاً درست بوده تنها حالت ممکن این است که فرض اولیه نادرست باشد.
نامساوی کلازیوسوقانون دوم ترمودینامیک
اغلب گفته می شود که نامساوی کلازیوس لازمه قانون دوم ترمودینامیک است. نامساوی کلازیوس را با بررسی سیکل موتور حرارتی و یخچال اثبات می کنند. اما با التفات به اثبات نامساوی کلازیوس باید بپرسیم که چگونه نامساوی کلازیوس لازمه قانون دوم است در حالیکه طی مراحل آن از قانون دوم مستثنی نیست و در روند اثبات آن مدام بهقانون دوم استناد می شود؟در اینجا نامساوی کلازیوس,صحت خود را از درستی ازپیش معلوم فرض شدهء قانون دوم وام می گیرد"هر دلیلی که در دفاع از فرضیه ای اقامه می کنیم باید غیر از نتیجه و مستقل از آن باشد. اگر تنها گواه صدق ما خود نتیجه باشد استنتاج مشتمل بر دور و لذا کاملاً نارضایت بخش خواهد بود." گواه صدق نامساوی کلازیوس نیز قانون دوم است بنابراین نامساوی کلازیوس نمی تواند لازمه قانون دوم ترمودینامیک باشد.
نتایج فلسفی قانون دوم ترمودینامیک
همانطور که قانون اول ترمودینامیک منجر به تنظیم خاصیتی به نام انرژی شد قانون دوم ترمودینامیک به ابداع مفهوم مجردی به نام آنتروپی(Entropy) می انجامد. این قانون ازاهمیت فلسفی فوق العاده ای برخورداراست و همیشه نظریات و مباحثات گوناگونی پیرامون آن در گرفته است. قانون دوم را عده ای به عنوان دلیلی بر وجود خدا بسیار با ارزش تلقی کرده اند(خدایی که جهان را در حالت کمترین آنتروپی آفرید و از آن پس جهان مدام از این حالت دورتر می شود و رو به تباهی می رود).اما برعکس عده ای هم آنرا به دلیل ناسازگاری با ماتریالیسم دیالکتیک ونفی کمال پذیری وضعیت انسان مردود دانسته اند.آنتروپی معیاری برای بی نظمی یک سیستم است. هرقدر نظم ساختاری و عملکردییک سیستم کمتر باشد گفته می شود آنتروپی آن بیشتر است. طبق قانون دوم ترمودینامیک هر فعالیت طبیعی موجب افزایش آنتروپیمی شود و جهت و گرایش طبیعت نیز به سوی بی نظمی است. "اوراق منظمی که پشت سر هم چیده شده اند یا کتابهایی که بطور مرتب در قفسهء کتابخانه قرار دارند ,اگر کوششی در جهت برقراری نظم آنها انجام نگیرد و مثلاً اهمیتی داده نشود تا هر کتاب برداشته شده باز به جای اولیه اش برگردانده شود بی نظمی یا به عبارتی آنتروپی آن روز به روز بیشتر خواهد شد". شاید به نظر برسد که در طبیعت فرایندهایی هم هست که در آنها از یک حالت بی نظم به یک حالت منظم برسیم. مثلافرایند ساختن ساختمان عبارتست از نظم دادن به مقداری آجر خاکسیمان و آهن پراکندهو بی نظم واینطور برداشت شود که چنین فرایندهایی در جهت افزایش نظم و به تبع آن کاهش آنتروپی پیش می رود. اما باید گفت که قانون دوم ترمودینامیک یک سیستم را مجزا از محیط در نظر نمی گیرد. آنچه افزایش می یابد آنتروپی کل است شامل محیط و سیستم. ممکن است در بخشهایی از سیستم شاهد کاهش آنتروپیودر نتیجه افزایش نظم باشیم اما بی تردید در جایی دیگر با افزایش بیشتری در میزان بی نظمی روبرو خواهیم بود. "می توان نشان داد که تمرکز نظم در یک نقطه به قیمت افزایش بی نظمی در نقطه ای دیگر است.آنچه از تئوری و آزمایشات بر می آیند نشان می دهند که در کل هر سیستم مقدار افزایش بی نظمی بیشتر از کاهش آن است و از این رو مجموعاً در هر فرایندی مقدار بی نظمی(آنتروپی) زیاد می گردد." در یک تحلیل آماری می توان به این نتیجه رسید که همواره تعداد حالات بی نظم یک سیستم بسیار پرشمارتر از حالات منظم آن هستند. "تکه های یک عکس را درون یک جعبه در نظر بگیرید. این تکه ها در یک و تنها یک آرایش تصویری کامل می سازند. از سویی دیگر آرایشهای بسیار زیادی هستند که تصویرچیزی را درست نمی کنند و تکه های عکس در حالت بی نظمی به سر می برند. هر چه جعبه را بیشتر تکان بدهیم تعداد آرایشهای درهمو برهم که بیانگر هیچ تصویری نباشند بیشتر می گردد. از دیدگاه آماری احتمال اینکه یک فرایند در جهتکاهش آنتروپی پیش رود صفر نیست. به بیان دیگر امکان بروز چنین حالتیبه قدری کم است که گویی غیر ممکن است. اما نمی توان صراحتاً گفت که هیچ امکانی برای آن متصور نیست. جعبه ای را که حاوی یک گاز و در تعادل ترمودینامیکی است در نظر می گیریم. طبق تعریف, گاز موجود در جعبه حداکثر آنتروپی ممکن را خواهد داشت. نظر به اینکه همه مولکولها به طور مداوم در حرکتند احتمال اینکه مولکولهای هوا به شکل خاصی قرار بگیرند و مثلا همه در یک گوشه جعبه متمرکز شوند وجود دارد ولی این احتمال فوق العاده کم است. یعنی از میلیارد میلیارد حالتی که این مولکولها می توانند داشته باشند تنها یک حالت ممکن است آن حالت منظم مورد نظر ما باشد که آنتروپی کمتری دارداحتمال چنین اتفاقی تقریباً صفر است. واقعیت این استکه از نظر ریاضی این امکان وجود دارد که چنان آرایش منظمی اتفاق بیفتد ولی احتمال آن فوق العاده کوچک است.
افزایش بی نظمی و مرگ حرارتی(Heat death)
یکی از تعابیری که با اعمال قانون دوم ترمودینامیک به کل جهان به دست می آید این است که جهان در آغاز پیدایش, آنتروپی مشخصی داشته است ولی مقدار آن رفته رفته افزایش پیدا کرده است.این افزایش آنتروپی تا جایی ادامه پیدا می کند که جهان به حالت تعادل ترمودینامیکی برسد. آنگاه از فعالیت باز خواهد ماند و هیچ اتفاقی در آن به وقوع نخواهد پیوست و به اصطلاح خواهد مرد. این فرایند به مرگ حرارتی (Heat death) جهان معروف است. چنین استدلال می شود که "با فرض اینکه جهان در آغاز خلقت در یکحالت کاملاً نامنظم و هرج و مرج کامل و تعادل ترمودینامیکی بوده باشد احتمال اینکه به طور 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 نمی ماند و هر چیزی از پیش تعیین شده خواهد بود. اما در نظر گرفتن مساله فوق با همان مغالطه تعویض وجه با کنهنیز "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 کلجهان 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.
_مقالات تحلیلی در فلسفهء مضاف/ بخش نخست /نویسنده: عرفان کسرایی/ دانشجوی مهندسیمکانیک (حرارت و سیالات)
