تحليلي از جنبه هاي فلسفي قوانين ترموديناميک

چکيده :

در اين مقاله جنبه هاي فلسفي و منطقي استدلال در قوانين ترموديناميک براساس ديدگاههاي کلاسيک فلسفهء علم ارا ئه ميشود . آيا قوانين ترموديناميک احکامي عام ومسلم ازاعيان خارجي و منافي اراده آزاد هستند؟ و آيا قوانين ترموديناميک فقط و فقط اشکال رياضي مأخوذ ازتجربه وعاري ازهرگونه معني ملموس هستند؟ آيا مجادله فلسفي پيرامون ترموديناميک بيهوده است؟ دراين نوشتار پرسشهايي از اين دست تحليل و بررسي ميگردد.

مقدمه:

يکي از تعاريف عالي ترموديناميک اين است که ترموديناميک علم انرژي و آنتروپي ميباشد. ترديدي نيست که علم در چنين تعريفي با تعبيري پوزيتيويستيک(1) به معناي دانشي بر پايهء مشاهدات تجربي بيان شده است. از اين منظر هرکجا که سخني از علم ميرود مقصود علم تجربي است . برتراند راسل(2) معتقد است اگر نتوانيم از چيزي آگاهي تجربي بدست آوريم هيچ آگاهي ازآن نخواهيم داشت.اگر پرسيده شود که صحت خود اين مدعا چگونه به اثبات ميرسد پاسخ اين است که اساساً چنين پرسشهايي تجربي نيستند. بدين معنا که نميتوان آن را به محک تجربه گذاشت. سوالاتي از ازاين دست ، در حوزه متافيزيک جاي ميگيرند. روش پاسخ دادن به چنين سوالاتي که به جنبه هاي معرفت شناختي (3) علم مربوط ميشوند نظير همهء مسائل متافيزيکي تعقل منطق است و نه آزمون تجربي . تفاوت عمده اي هست ميان علم پوزيتيويستي که بر پايه ي تجربه پذيري بنا شده و متافيزيک که تفسيري عام و فراگير از مسائل جهان هستي است. حوزه مبحث اين نوشتار اغلب تحليل جنبه هاي استدلال منطقي در قوانين ترموديناميک برخي پرسشهاي فلسفي معرفت شناختي پيرامون آن است. با اين تفاسير ترموديناميک يک علم تجربي است. چرا که در قوانين بنيادي آن يافته هاي تجربي بيصورت روابط رياضي درآمده اندر. بنيان ترموديناميک بر پايه مشاهدات تجربي است. تجربي است از اينرو که قابليت تجربه پذيري همگاني(4) دارد. " پديده اي که مورد کاوش تجربي قرار مي گيرد بايد چنان باشد که همه بتوانند در آزمون آن شرکت کنند و هرس با تحصيل شرايط خاص بتواند به آساني آن را تجربه کند. اموري که تنها براي يکبار اتفاق مي افتد يا اموري که تجربه آنها همگاني نيست از قلمرو کاوشهاي علمي بيرون مي مانند [1 ] تجربه مشاهدات تکرارپذيريست که عيني(5) بوده وهمه بتوانندآن کاوش را انجام داده و نتايجش را بررسي کنند.بنابراين واضح است که ترموديناميک واجد شرايط تجربه پذيري علمي است. بااين وجود مباحث مربوط به ترموديناميک فاقد آن تجربه گري صرف است که در برخي ازعلوم وجود دارد. بدين معني که ترموديناميک فقط برپايه تجربه ومشاهده نيست.اصولا مباحث مرتبط با مکانيک و شاخه هاي آن دقت و تأکيد فراواني بر استدلال استقرايي(6) دارند و اصول بنيادي مکانيک برپايه مدلسازي رياضي ازپديده هاي فيزيکي است . پايه هاي اصلي مباحث ترموديناميک را مانند تکيه گاههاي منطقي علم مکانيک بايد در شهود و تجربه جستجوکرد . از آن پس ميتوان يک چارچوب ذهني ترتيب داد و به عنوان مثال با پي ريزي يک مدل منطقي ميتوان مطالعه ي مکانيک شاره ها را در ادامه ي مکانيک مقدماتي و ترموديناميک قرار داد.

آيا مجادله فلسفي پيرامون ترموديناميک بيهوده است؟

آيا ممکن است بحثها و مجادلات فلسفي پيرامون چنين مباحثي که در حيطه و قلمرو فلسفه علم جاي مي گيرند اساساً پوچ و بيهوده باشند؟ صاحبنظران مکاتيب زبان شناسي علم تفسير (Hermeneutics) نظير پل ريکور و دوره اول ويتگنشتاين اعتقاد داشتند که مشاجرات فلسفي اصلاً درباره جهان نيستند وفقط نوعي بحث زبان شناسي هستند. در نتيجه براي آنها هرگونه فلسفه , بيشتر براي به دورافکندن فلسفه بود تا اينکه مثلاً در جهت تدوين مسائل فلسفه علم باشد. ويا طرفداران مکتب فرا استراکتوراليسم (post structuralism) و شخص ميشل فوکو امکان مباحثي تحت عنوان فلسفه علم را باطل مي دانند.
پوزيتيويستها (positivists) نيز قدرت علم را تا حدي زياد مي دانند که نياز به هرگونه فلسفه اي را باطل تلقي مي کنند . از ديدگاه آنان اين بحثها بيشتر , نوعي "خيالبافي فيزيکي" است. از اين رو _ رودلف کارناپ_ که در تاريخ فلسفه علم معاصر به عنوان يک پوزيتيويست شناخته مي شود پايان عمر متافيزيک را در 1930 نشان داد و هرگونه مجادله فلسفي در اين زمينه را پوچ و بيهوده اعلام کرد. در اگزيستانسياليسم دو ديدگاه رايج در اين باب وجود دارد. اگزيستانسياليست هايي نظير هايدگر , طبيعت را موضوع تعمق فلسفي مي دانند و در نتيجه به نوعي پرداختن به فلسفه علم را مي پذيرند. در حاليکه مکتب اگزيستانسياليسم ژان پل سارتر موضوع چنين بحث هاي فلسفي را خود آگاهي انسان مي داند.در هر حال ديدگاههاي متفاوتي نسبت به حقانيت مباحث (Discourse) فلسفه علم وجود دارد. برخي اين مجادلات را بيهوده و يا يک جدل بي حاصل صرفاً زباني ارزيابي کرده اند و برخي ديگر پرداختن به اين مسائل را جستجوي اساسي ترين پرسشهاي فلسفي دانسته اند. موضوع اين نوشتار تحليل ديدگاههايي است که حقانيت مبحث فلسفه علم را پذيرفته اند. فلسفه علم از نظر آنچه نتايج فلسفي علوم است به بخشهاي مختلفي تقسيم مي شود. مسائل مرتبط با متافيزيک , مسائل معرفت شناختي (Epistemology) نظير تئوري هاي شناخت و مباني و پيش فرضهاي فلسفي و دسته بندي موضوع شناخت بين عينيت و ذهنيت , يا مسائل ارزش شناختي (Axiology) و الي آخر. اما چگونگي شکل گيري تئوريهاي علمي يکي از مهمترين موضوعات مورد توجه در فلسفه علم مي باشد . مساله چگونگي شکل گيري تئوريهاي علمي , مشتمل بر دونظريه اصلي ميباشد _ يکي نظريه توماس کوهن (T.Kuhn)وديگري نظريه کارل پوپر (K.popper) _ نظريه توماس کوهن تحت عنوان نظريه سوبژکتيويستي يا ذهنيتگرايانه subjectivity و همچنين نظريه کارل پوپر که در کتاب دانش عينيobjective knowledge بيان شده است بيشتر به نام نظريه ابژکتيويستي يا عينيت گرايانه (objectivity) شهرت دارد. کوهن اعتقاد داشت که "علوم بر مبناي پارادايم(paradigm ) با سرمشق هاي معين جلو مي روند. اين سرمشق ها پيش فرض هاي قبول شده اي هستند که در حل مسائل مورد تحقيق , هيچگاه مورد ترديد واقع نميشوند" . مثلاً در پارادايم نيوتني , زمان و مکان مستقل از يکديگر وجود خارجي داشته و نيرو در اين سيستم برابر است با حاصلضرب جرم در شتاب. اما اين پيش فرض هاي از پيش قبول شده بر دانش حضوري و ادراک شهودي تکيه دارند که چندان محل اطمينان و يقين نيست.از همين روست که امکان دارد سرمشقهاي شهودي در پارادايم ها که در يک زمان کاملاً بديهي بوده در زمان ديگر اعتباري نداشته باشند. بعنوان مثال پس از ارائه نظريه نسبيت , " فرض فيزيک کلاسيک در مورد مطلق بودن همزماني , که بر مبناي بديهيات اوليه و فرضهاي پيش آزموني قرار داشت ديگر يک بديهي بي نياز از تحليل محسوب نمي شود. توماس کوهن مي گويد هرگاه تعداد زيادي از مسائل تحقيق , خود پارادايم را زير سوال ببرند شرايط بحراني پيش آمده و در اين حالت به تدريج پارادايم جديدي شکل مي گيرد که جايگزين پارادايم قديمي ميگردد. (مثل جايگزيني تئوري نسبيت اينشتين به جاي تئوري هاي مکانيک نيوتني) . از اين رو مطابق با نظريه ذهنيت گرايانه کوهن , واقعيت هاي عيني , هرگز نتايج تئوريک فلسفي به بار نمي آورند وبه بيان ديگر اين ذهنيت است که برعينيت تقدم دارد. در ترموديناميک با مفاهيمي نظير مدل ايده آل سيکل کارنو يا سيکلهاي معادل آن روبرو هستيم که گفته مي شود هيچ نتيجه عيني در بر ندارند. و اين درحاليست که عملي نبودن سيکلهاي معادل سيکل کارنو , بيشتر از جنبه مواجهه با محدوديت عمل ابزارهاي مورد استفاده مي باشد نه ازاين بابت که مدلهاي ذهني مذکور , اساساً امکان عملي شدن نداشته باشند. بنابراين مي توان تصور کرد که روزي انسان بتواند بر محدوديتهاي سد راه عملي شدن برخي از مدلهاي ترموديناميکي , غلبه کند وتجارب بعدي تدريجاً به شکل گيري پارادايم جديدي منجر شود و حتي اصول مسلمه ترموديناميک کلاسيک نيز مورد ترديد قرار گيرند. هيچ استبعادي ندارد روزي ابزارها و سيستمهايي طراحي شوند که محدوديتهاي کنوني را نداشته باشد يا شيوه هايي ابداع شود که به کمک آنها عبور ازمحدوديت و الزام قانون دوم ترموديناميک به نوعي ممکن شود. وشايد در آنصورت تحولات شگرفي در زندگي انسان بوجود بيايد . از اين رو اين امکان وجود دارد که مجادله کنوني پيرامون تعابير فلسفي ترموديناميک , در آينده به شکل گيري پارادايم جديدي منجر شود و از نگاه پراگماتيستي دستاوردهاي عملي داشته باشد .

پايه ها ي مطالعه مکانيک شاره ها:

پايستاري جرم
قانون دوم نيوتن
اصل تکانه زاويه اي
قانون اول و دوم ترموديناميک
شش اصل بنيادي در مکانيک مقدماتي
اصل قابليت انتقال
قانون گرانش نيوتن
قانون اول نيوتن
قانون دوم نيوتن
قانون سوم نيوتن
قانون متوازي الاضلاع براي جمع بستن نيروها
به استثناء قانون اول نيوتن و اصل قابليت انتقال که دو اصل بنيادي مستقل هستند ساير اصول مکانيک مقدماتي مبتني بر شواهد تجربي اند.با اين اوصاف مطالعه ترموديناميک صرفاً بر پايه ي تجربه گري نيست بلکه آميزه اي از درک شهودي(7) و تجربه ي مستقيم ميباشد . قوانين ترموديناميک را ميتوان بر اساس تعاريف اصولي و رايج علم نيز بررسي کرد:
الف: يک قانون علمي نظمي هميشگي و پايدار را بيان ميکند.قضاياي کلي عموما" با هميشه،هيچ،هر يا همه آغاز ميشوند .
ب: قوانين علمي توانايي پيشگويي مشروط دارند و با دانستن وضع فعلي سيستم ميتوان آينده ي آن را به طور مشروط معلوم کرد.
ج: قوانين علمي وقوع برخي پديده ها را در جهان نامکمن و نشدني اعلام مي کنند ابطال پذيرند(8) و ميتوان تصور کرد که روزي تجربه اي خلاف آن مشاهده شود.
د: قوانين و فرضيات علمي توتولوژيک(9) نيستند ، حصر منطقي ندارند و جميع حالات ممکن را در بر نميگيرند .
ه: قوانين علمي گزينشي(10) هستند و هرگز همه جوانب پديده ها را تجربه و تحقيق نمي کنند.
قوانين ترموديناميک مجموعه ي اين تعاريف را ارضا مي کند. في المثل وقتي گفته ميشود که قانون اول ترموديناميک براي هر سيکل بسته اي برقرار ميباشد سخن از يک تجربه هميشگي و پايدار گفته ايم. با قوانين ترموديناميک مي توان آينده ي يک سيستم را از قرائن فعلي آن پيش بيني نمود. قوانين ترموديناميک همچنين وقوع پديده هايي را ناممکن اعلام مي کنند. اين خاصيت ابطال پذيري قوانين علمي است که به پديده ها اجازه هرگونه جهتي را نمي دهند ونسبت به جهتگيري حوادث بي تفاوت نيستند. " ابطال پذيري به معناي باطل بودن نيست. قانون ابطال پذير يعني قانوني که براي آن بتوان تصور کرد که در صورت وقوع پديده اي باطل مي شود. نقش تجربه هم در علوم کشف بطلان است و نه اثبات صحت . ابطال پذيري به معناي اين نيست که اين قوانين حتماً روزي باطل خواهند شد بلکه اگر صحت يک قانون علمي تضمين هم شده باشد باز هم ابطال پذير خواهد بود. يعني در فرض مي توان تجربه اي را که ناقض آن است پيدا کرد.ابطال پذيري معادل تجربه پذيري است. قانوني علمي است که تجربه پذير باشد و وقتي تجربه پذير است که ابطال پذير باشد و وقتي ابطال پذير است که نسبت به جهان خارج وجهت پديده هاي آن بي تفاوت نباشد" [1] قوانين ترموديناميک مثل هر قانون علمي ديگرگزينشي هستند . و فقط چند خاصيت محدود را بررسي مي کنند . بعنوان مثال مدل گازايده آل فرايند پلي تروپيک PV=mRT فقط به چند خاصيت از قبيل فشار ، دما ، حجم و... محدود مي شود. هيچ قانون ترموديناميکي يافت نمي شود که در آن همه ي خواص ترموديناميکي منظور شده باشد . هر قانون تنها جنبه هايي خاص را مورد بررسي قرار مي دهد . بدين ترتيب در ترموديناميک با يک سري قواعد اصالتاً علمي مواجهيم که ضمن علمي بودن ، نتايج و برداشتهاي فلسفي با اهميتي را نيز در بر مي گيرد.

1.1 تکامل منطقي قوانين ترموديناميک

ترموديناميک در قالب چهار قانون بنيادي ارائه مي شود و در نامگذاري اين چهار قانون نوعي روند تکاملي لحاظ شده است.
قانون صفرم ترموديناميک : هر دو جسم که با جسم سومي داراي تساوي درجه حرارت باشند آن دو جسم نيزبا هم تساوي حرارت دارند .
قانون اول ترموديناميک : براي هر سيستم در حال پيمودن يک سيکل ، انتگرال سيکلي حرارت متناسب با انتگرال سيکلي کار مي باشد.(قانون بقاي انرژي)
قانون دوم ترموديناميک : غيرممکن است وسيله اي بسازيم که در يک سيکل عمل کند وتنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به گرمتر باشد.
قانون سوم ترموديناميک : اين قانون بيان مي‌کند که ممکن نيست از طريق يک سلسله فرايند متناهي به صفر مطلق دست يافت. به عبارتي رسيدن به صفر مطلق محال است.
قانون صفرم ترموديناميک منطقاً بديهي به نظر مي رسد.اگر چه که تجربه پذير است و مي توان صحت و اعتبار آن را آزمايش کرد.اين قانون اساس اندازه گيري درجه حرارت است و نمي توان آن را از ساير قوانين نتيجه گرفت. قانون صفرم ترموديناميک از اين رو قبل از قوانين اول و دوم مي آيد که براي بيان ساير قوانين ترموديناميک به مقياسي براي ادوات اندازه گيري درجه حرارت نياز است. بدين ترتيب اعدادي را روي دماسنج قرار داده و گفته مي شود جسم داراي درجه حرارتي است که روي دماسنج قرائت مي شود. بنا براين منطقي است که اين قانون قبل از ساير قوانين ترموديناميک ارائه شود . مطابق با اين قانون اندازه گيري درجه حرارت يک پايه منطقي پيدا مي کند و در ادامه مي توانيم ساير قوانين بنيادي ترموديناميک را با اتکا به اين پايه منطقي بيان کنيم. قانون اول ترموديناميک بيانگر اين مطلب است که در يک سيکل ترموديناميکي مقدار حرارت منتقل شده از سيستم برابر با مقدار کار انجام شده بر سيستم مي باشد. در عين حال اين قانون هيچ محدوديتي براي جهت جريان حرارت و کار ايجاد نمي کند . اين محدوديت در قالب قانون دوم بيان ميشود.
قانون دوم ترموديناميک بيان مي دارد که يک فرايند فقط در يک جهت معين پيش مي رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نيست. " متناقض نبودن يک سيکل با قانون اول دليلي بر اين نيست که آن سيکل حتماً اتفاق مي افتد.اين نوع مشاهدات تجربي منجر به تنظيم قانون دوم ترموديناميک مي شود. پس فقط آن سيکلي قابل وقوع است که با قوانين اول و دوم ترموديناميک همخواني داشته باشد." [2] پس واضح به نظر مي رسد که قانون دوم بيان يک توضيح تکميلي از قانون اول است که قيد مجاز نبودن به هر جهت دلخواه براي کار و حرارت را بر آن مي نهد. از اين رو در روند تکامل منطقي قوانين ترموديناميک پس از قانون اول بيان مي شود. " در کاربرد قانون دوم دانستن مقدار مطلق آنتروپي ضروري مي شود و همين مساله منجر به تنظيم قانون سوم ترموديناميک مي گردد." بنابراين مشاهده شد که قوانين ترموديناميک در يک سير تکامل منطقي در امتداد يکديگر بيان مي شوند. قانون اول پايه ي منطقي اندازه گيري درجه حرارت را مي دهد. قانون اول منجر به بيان قانون دوم شده وقانون دوم نيز به بيان قانون سوم ترموديناميک مي انجامد.

2.1 تحليل منطقي از قانون اول ترموديناميک

قانون اول ترموديناميک را اغلب قانون بقاي انرژي مي نامند . اين قانون بيان مي دارد که در يک سيکل ترموديناميکي ، انتگرال سيکلي حرارت برابر با انتگرال سيکلي کار مي باشد. قانون اول متضمن مفهوم انرژي است.مفهوم بنيادي انرژي در کاربردهاي روزمره آشنا و ملموس است و يک درک عمومي از کلمه انرژي وجود دارد. از نقطه نظر ماکروسکوپيک تنها به صورتي از انرژي توجه داريم که به شکل حرارت منتقل مي شود. در حاليکه در ترموديناميک آماري ، ديدگاه ما راجع به خواص ماکروسکوپيک تنها يک ارزيابي آماري از خواص ميکروسکوپيک هستند. "قوانين ترموديناميک را مي شود به آساني از اصول مکانيک آماري بدست آورد و آنها در واقع بيان ناقصي از همين اصول اند... در موارد ساده شده ايده آل مي توان از پس محاسبات پيچيده اصول مکانيک آماري برآمد و به قانوني با صحت اساساً نامحدود رسيد."[3] بنابراين به نظر مي رسد مفهوم بنيادي انرژي يک تحليل نوعاً آماري در رفتار مکانيکي مجموعه بسيار بزرگي از اتمهاست. " براي تشريح کامل رفتار سيستم از ديدگاه ميکروسکوپيک لزوما با حد اقل 20^10×6 معادله سر وکار خواهيم داشت. حتي با يک کامپيوتر بزرگ نيز انجام چنين محاسباتي کاملا خستگي آور و نااميد کننده است. با اين وجود دو روش براي کاهش تعداد معادلات و متغيرها تا حد پذيرفتني وجود دارد...يکي از اين راهها روش آماري است که بر اساس نظريه هاي آمار و احتمال مقادير متوسط را براي همه ذرات سيستم در نظر مي گيريم ... راه حل دوم براي کاهش تعداد متغيرها ديدگاههاي ماکروسکوپيک ترموديناميک کلاسيک ميباشد همانگونه که از کلمه ماکروسکوپيک استنباط مي شود اثرات کلي تعدادي مولکول را مورد توجه قرار مي دهيم." [2]چون ما مرتباً ازعبارت انرژي استفاده ميکنيم و آن را به پديده هايي که مي بينيم نسبت مي دهيم کلمه انرژي مفهومي خاص در ذهن ما يافته است و وسيله اي موثر براي بيان افکار و ايجاد رابطه شده است. انرژي از مفاهيم مجردي است که انسان براي برخي مشاهدات خود آن را ابداع کرده است. زماني که از انرژي صحبت مي کنيم يک ادراک کلي را در نظر داريم که مستقل از تحليلهاي آماري است. به بيان ديگر ديدگاه ما نسبت به انرژي به گونه کاملا محرزي مستقل از اين مسأله است که تعبير ماکروسکوپيک آن، بواسطه کاربرد آمار در رفتار تعدادي مولکول بدست آمده است. در ترموديناميک کلاسيک براي اينکه نشان داده شود انرژي يک خاصيت ترموديناميکي است به نوعي با مفاهيم عاري از معاني ملموس روبرو هستيم. بدين معني که Q, Wو , Eتحت قواعد رياضي و جبري قرار مي گيرد و از آن نتايجي عام و کلي استحصال مي شود. گويي که مي شد همين اعمال رياضي را روي, Y,X Z انجام داد.
در ترموديناميک, کار وحرارت تحت عنوان انرژي در حال گذار از مرزسيستم تعريف مي شود. با اين وصف مفهوم انرژي بايد يک اصل موضوعه و به طور ضمني تعريف شده باشد." تعريف صريح همه اصطلاحات فني يک مبحث همان قدر غير ممکن است که اثبات کليه احکام آن, زيرا که يک اصطلاح فني را بايد به کمک ساير اصطلاحات فني تعريف کرد و اين اصطلاحات را توسط اصطلاحات ديگر و قس علي هذا, به منظور رفع اين مشکل و براي احتراز از دوري(11) بودن در تعريف اصطلاح x به کمک اصطلاح y , و سپس تعريف اصطلاح y به کمک اصطلاح x , مجبوريم که در مقدمه مبحث مورد نظر, مجموعه اي ازاصطلاحات اوليه يا اساسي را در نظر بگيريم و معاني آنها را مورد پرسش قرار ندهيم. تمام اصطلاحات فني ديگر مبحث را مآلاً بايد به کمک اين اصطلاحات اوليه تعريف کرد . [4]"
از اين روبراي پرهيز از دوري بودن, تعريف انرژي بايد مستقل از کار وحرارت باشد ويا بالعکس. يا اينکه انرژي يک اصل موضوعه قلمداد شود و هيچ تعريفي هم براي آن ارائه نگردد.

شکل2.1
قانون اول ترموديناميک بيان مي دارد که: W ? ? = Q ? ?
اگر سيستم دستخوش تحولات يک سيکل باشد و طي فرايند A از حالت 1 به 2 تغيير يافته و سپس طي فرايند B از حالت 2 به حالت 1 بازگشت کند:

آنگاه نشان داده مي شود که چون Bو Aنمايانگر هر فرايند دلخواهي بين 1 و 2 هستند پس مقدار (?W – ?Q) براي هر فرايند انجام شده يکسان خواهد بود. بنابراين مقدار( ?W_?Q ) تنها بستگي به حالات اوليه و نهايي دارد و ارتباطي به مسير طي شده نخواهد داشت.مي توان استنباط کرد که مقدار فوق يک تابع نقطه اي و بنابراين ديفرانسيلي از يک خاصيت جرم کنترل است. از اين رو قانون اول ترموديناميک منجر به تنظيم خاصيتي شده که انرژي ناميده مي شود.اما اين نتيجه گيري شبهه دوري بودن را در انرژي کار و حرارت ايجاد مي کند. از طرفي کار وحرارت تحت عنوان انرژي در حال گذار از مرز سيستم تعريف مي شوند و از سوي ديگر وجود خاصيتي به نام انرژي از قانون اول ترموديناميک و بر مبناي تعاريف کار و حرارت استنتاج مي شود. براي پرهيز از دوري بودن يا بايد کار وحرارت را مستقل از انرژي تعريف کنيم و يا انرژي را مستقل از کار و حرارت. به هر حال بايد يک تفسير بنيادي وجود داشته باشد. انرژي نمي تواند يک بديهي اوليه بدون نياز به تعريف باشد. به نظر مي رسد اين استنتاج يک تفسير دوري است. اما چطور ممکن است؟ پاسخ اينجاست که وقتي کار و حرارت را نوعاً تحت مبناي انرژي تعريف مي کنيم, ناخواسته انرژي را بعنوان تفسير نهايي کار و حرارت در نظر گرفته ايم.
" عقيده به تفسيرهاي نهايي باطل است و هر تفسيري را مي توان بوسيله تئوري يا تخميني با کليتي بيشتر, باز هم تفسير نمود.هيچ تفسيري نمي تواند وجود داشته باشد که خود محتاج تفسيري ديگر نباشد"[1] بنابراين انرژي تفسير نهايي کار وحرارت نيست بلکه تنها يک پايه تفسير رضايت بخش براي اين مفاهيم مي باشد. " يک سلسله علل منتهي به علت العلل (تفسير نهايي) ميشود زيرا که تسلسل باطل است و در عين حال منتهي به علت العلل نميشود زيرا علتي که خود معلول نباشد متصور نيست." [5] از اين رو دليل دوري به نظر رسيدن تعاريف انرژي , کار و حرارت اين مغالطه است که انرژي را بعنوان تفسير نهايي کار و حرارت در نظر گرفته ايم. همانگونه که گفته شد عقيده به تفسير نهايي باطل است و در اينجا نيز بايد انرژي را يک تفسير رضايت بخش از کار وحرارت بدانيم و نه تفسير نهايي آنها. و اين همان تمسک به طبائع _اسانسياليسم_(12) کارل پوپر(13) است که مي گويد: تفاسير نهايي امور و حوادث بر حسب طبائع اشيا است. درست نظير آنچه در تحليل قانون اول ترموديناميک با آن مواجه شديم اگر انرژي را تفسير نهايي کار و حرارت بدانيم آنگاه انرژي به وضوح يک تفسير ad hoc خواهد بود. " قضايايي که به طور موضعي و به صورت وصله اي يا تبصره اي به کار مي روند تا يک امر مبهم و بي تفسير را ظاهراًًً تفسير کنند ad hoc نام دارند... فرض کنيد ?, تفسير شده اي است که صحت آن مسلم است از آنجا که ? را بداهتاً مي توان از خود ? استنباط نمود بنابر اين هميشه امکان دارد که ? را بعنوان تفسير خودش عرضه نماييم. اما با وجود اينکه در اينگونه موارد , صحت مفسر(تفسير کننده) محقق است و تفسير شده نيز منطقاً از آن استنتاج مي شود ,اين تفسير , تفسيري است بسيار نارضايت بخش و لذا ما بايد تفاسيري از اين قبيل را به دليل دوري بودن غيرقابل قبول بدانيم."[1] تفسير کار و حرارت بر پايه انرژي تفسيري تقريباً دوري است. منتهي دليلي بر اين هم نيست که اقناع کننده نباشد. تفاسير نارضايت بخش, تفاسيري هستند که کاملاً دوري باشند و از اين رو منطقاً باطل و غير قابل قبول اند. اما تفاسيري که تا حدي دوري هستند و در عين حال رضايت بخش و قانع کننده عموماً تفاسيري هستند که قرائن مستقل در تأييد آن موجود باشند. بعبارت ديگر تفسيرکننده بايد بطور مستقل آزمايش پذير باشد و اين آزمايش مستقل هرچه دشوارتر باشد, تفسير کننده مقنع تراست... براي اينکه مفسرها ad hoc نباشند بايد از لحاظ محتوا غني و داراي يک رشته نتايج آزمايش پذير باشند. "تنها وقتي مي توانيم در تحقق بخشيدن به تفاسير مستقل و غير ad hoc گامي به جلو برداريم که در تفسير خود استفاده از قضاياي کلي يا قوانين طبيعت را به انضمام قضايايي که مبين شرايط خاص(14) تجربه اند شرط کنيم, زيرا قوانين کلي طبيعت مي توانند قضايايي باشند با محتواي غني آنگونه که در همه جا و در همه وقت به طور مستقل آزمايش پذير باشند و لذا اگر بعنوان تفسير مورد استفاده قرار بگيرند احتمال دارد که ad hoc نباشند."[1] با اين اوصاف آنچه در تحليل منطقي قانون اول ترموديناميک به رغم تفسير تقريباً دوري آن اهميت دارد درجه اقناع کنندگي اين قانون مي باشد. همانگونه که ذکر شد اقناع کنندگي يک تفسير به درجه آزمايش پذيري آن بستگي دارد. قانون اول ترموديناميک نيز به همين دليل تفسيري قانع کننده و رضايت بخش ميباشد. " آزمايشات گوناگوني که صورت گرفته به طور مستقيم يا غير مستقيم, مؤيد قانون اول بوده است. عدم صحت اين قانون تا به حال ثابت نشده است" [2]

2.2 نتايج فلسفي قانون اول ترموديناميک

اينکه قانون اول ترموديناميک توصيف يک امر ذاتي و حقيقت في نفسه است يا صرفاً يک مدل ذهني , اساساً يک پرسش فلسفي است. جان لاک (1704_1632) بيان مي کرد که "تمام معلومات ما از طريق تجربه و حواس بدست مي آيد و آنچه نخست به حس در نيايد در ذهن وجود ندارد".[5] اما امانوئل کانت در کتاب نقد عقل محض (15) ميگويد: همه معلومات ما از راه محسوسات نيست. تجربه به هيچ عنوان تنها راه درک وعلم نيست. تجربه فقط ما را به _آنچه هست_ راهنمايي مي کند نه به آنچه_ بايد چنين باشد_ و دست آخر نتيجه مي گيرد که از تجربه, حقايق کلي به دست نمي آيد. يعني حقايق ,بدون توجه به تجربه ما واقعيت دارند و حتي اين واقعيت پيش از تجربه(16) هم وجود داشته است.
" طبق نظريه پوپر, تئوريها هرگز انعکاس عينيت نيستند بلکه بسيار به مدلهاي ذهني کانت شباهت دارند."[6] از ديدگاه پير دوئم (17) قوانيني نظير قانون اول ترموديناميک نه تفسيرهاي متافيزيکي هستند و نه مجموعه اي از قوانين که صحتشان از طريق تجربه و استقراء به ثبوت رسيده باشد, " اين تئوريها بناهايي مصنوع هستند که به کمک کميات رياضي ساخته شده اند ونسبت اين کميات با مفاهيم مجردي که از تجربه برمي خيزند مانند نسبت علامت به ذي العلامه است... اين تئوريها با دقت جبري- رياضي قابليت گسترش دارند, چون به تقليد از جبر, اين تئوريها را مي توان با ترکيب کمياتي که ما به روش خاص خودمان آراسته ايم, بنا کرد."[1] مساله ديگر اين است که ما معادلاتي را با مشاهدات تجربي استخراج کرده و اينک از همان معادلات براي توصيف پديده مورد نظر استفاده مي کنيم. درست مثل اينکه اصطلاح نارنج را با مشاهده ميوه نارنج ابداع کرده ايم آنگاه اگر از ما بخواهند که رنگ ميوه نارنج را توصيف کنيم خواهيم گفت نارنجي!
حال آنکه اين تفاسير بوضوح ad hoc مي باشند. البته طبيعي است که اينگونه باشد و ما هميشه در تفسير رفتار وعملکرد يک شيء خاص, تنها چيزي را که بررسي مي کنيم اوصاف ذاتي و لاينفک همان شيء خاص است. معادلات رياضي با مشاهده رفتار سيستم استخراج شده و تنها بواسطه آن است که مي توان رفتار سيستم را تعبير نمود.

2.3 آيا مي توان امتناع رفتار آزاد را از قانون اول استنتاج کرد؟

آيا معادلات بر پديده ها ارجح هستند؟ پير دوئم استدلال مي کند که اينگونه نيست. به اعتقاد دوئم , معادلات از ابتدا وجود نداشته اند و آنها با مشاهده يک نظم عمومي در رفتار سيستم استخراج و تنظيم شده اند. بنابراين لايتغير بودن اين معادلات فقط به دليل انطباق آنها با پديده ها در همه زمانهاست و اين مساله گواهي بر محال بودن ارادهء آزاد نيست. هرگز نمي توانيم ثابت و هميشگي بودن معادلات را دليل بر اين بگيريم که قوانين عيني مطلقاً جبري هستند. بدين ترتيب قانون اول ترموديناميک نيز فقط معادله اي است که از مشاهدات تجربي تصويرسازي شده و هرگز منجر به اين استنتاج نخواهد شد که قوانين و واقعيات عيني نيز لايتغير خواهند بود. اصل بقاي انرژي حکمي عام و مسلم درباره اعيان موجود خارجي نيست. بلکه يک فرمول رياضي است که به فرمان آزادانه ذهن ما ساخته شده است تا همراه با فرمولهاي ديگر که به همين نحو ساخته مي شود ما را مجاز و قادر بدارد تا از آنها نتايجي را استنتاج بکنيم که به خوبي و درستي بر قوانين مکشوف آزمايشگاهي انطباق يابند وازآنها حکايت کنند." نه فرمول بقاي انرژي و نه سايرفرمولهايي که با آن همراه ميکنيم هيچکدام را نميتوان گفت درست يا نادرستند. چرا که احکامي درباره واقعيات عيني نيستند. آيا امتناع رفتار مختارانه جزو لوازم اصل بقاي انرژي است يا نه؟ و اينجا بايد گفت اصل بقاي انرژي هيچ نتيجه عيني و خارجي در بر ندارد. چگونه مي توان از اصل بقاي انرژي و اصول مشابه آن اين نتيجه را استنتاج کرد که ارادهء آزاد محال است؟ به خاطر
مي آوريم که اين اصول گوناگون معادل دستگاهي از معادلات ديفرانسيل اند که بر تغييرات حالات اجسام تابع آنها حاکمند. نتيجه اين مي شود که در ميان اين اجسام هيچ حرکت آزادي نمي تواند به وجود آيد. حال مي پرسيم ارزش اين استدلال چقدر است؟
ما اين معادلات ديفرانسيل را و يا اصولي را که صورت اصلي آنها هستند برگرفتيم چون که مي خواستيم تصويري رياضي از گروهي از پديده ها داشته باشيم. براي نمايش اين پديده ها به کمک دستگاهي از معادلات ديفرانسيل, پيشاپيش مفروض گرفتيم که آن پديده ها تابع جبر مطلق اند." با توجه به ديدگاه دوئم درمي يابيم که ما در ساختن يک مدل و تصوير رياضي بر اثر مشاهدهء تجربي يک پديده, فرض را بر نوشتن معادله اي گذاشتيم که ابدي و پايدار است. يعني از قبل مطمئن بوده ايم که جايي براي ارادهء آزاد در اين طبقه بندي باقي نيست. با اين وصف واضح است که از لايتغير بودن معادله نمي توان به لايتغير بودن واقعيت عيني حکم داد.همانطور که در مثالي گفتم ما از اين رو نارنجي را به عنوان يک توصيف پايدار از يک رنگ مي شناسيم که از پيش يقين داريم رنگ ميوهء نارنج هميشه و در همه زمانها بدون تغيير خواهد بود. و با همين پيش فرض است که مي توانيم اصطلاح نارنجي را به هر جسم همرنگ با ميوه نارنج اطلاق کنيم. و به همين دليل هم هست في المثل رنگي به نام (کتابي) نداريم. زيرا که پيشاپيش مي دانيم رنگ کتابها هميشه يکجور نيست. از اين رو نبايد تصور کنيم که يک معادله, طبيعت و پديده ها را ملزم به تابعيت از خود مي کند. معادلهء قانون اول ترموديناميک پديده ها را تابع يک جبر مطلق العنان نمي کند بلکه فقط تصويري ذهني يا مدلي رياضي است. حتي اگر حقيقت عيني پديده, ثابت و پايدار هم باشد اين امر را نمي توانيم از لايتغير و پايدار بودن مدل رياضي آن پديده استنتاج بکنيم.

بخش دوم: قانون دوم ترموديناميک

قانون دوم ترموديناميک متضمن اين مفهوم استکه يک فرايند فقط در يک جهت معين پيش مي رود و در جهت خلاف آن قابل وقوع نيست. اين محدوديت براي جهت وقوع يک فرايند, مختصه قانون دوم است.اگرسيکلي متناقض با قانون اول ترموديناميک نباشد,دليلي براين نيست که آن سيکل حتماً اتفاق مي افتد. همين امر منجر به تنظيم قانون دوم ترموديناميک شده است. دو بيان کلاسيک از قانون دوم ترموديناميک وجود دارد که هر دو بيانگر يک مفهوم اساسي هستند: بيان کلوين- پلانک و بيان کلازيوس ,بيان کلوين- پلانک بر پايه توضيح عملکرد موتورهاي حرارتي است وبيان مي دارد که غيرممکن است وسيله اي بسازيم که در يک سيکل عمل کند و در عين حال که با يک مخزن تبادل حرارت دارد اثري بجز صعود وزنه داشته باشد. اين بيان از قانون دوم ترموديناميک در بر گيرنده اين مضمون است که غير ممکن است که يک موتور حرارتي مقدار مشخصي حرارت را از جسم درجه حرارت بالا دريافت کند و همان مقدار نيز کار انجام دهد. بيان کلازيوس نيز يک بيان منفي است و اعلام مي دارد که غير ممکن است وسيله اي بسازيم که در يک سيکل عمل کند و تنها اثر آن انتقال حرارت از جسم سردتر به جسم گرمتر باشد. اين بيان بر پايه توضيح عملکرد پمپهاي حرارتي مي باشد و دربرگيرنده اين مفهوم است کهنمي توان يخچالي ساخت که بدون کار ورودي عمل کند. هر دو بيان کلاسيک از قانون دوم ترموديناميک نوعاً بيانهاي منفي هستند و اثبات بيان منفي ناممکن است. درباره قانون دوم ترموديناميک گفته مي شود"هر آزمايش مربوطي که صورت گرفته به طور مستقيم يا غيرمستقيم مؤيد قانون دوم بوده و هيچ آزمايشي منجر به نقض قانون دوم نشده است. همانگونه که ذکر شد تنها گواه ما بر صحت قانون دوم ترموديناميک آزمايشات گوناگوني است که همگي درستي اين قانون را تأييد مي کنند. با اين همه در ترموديناميک کلاسيک سعي مي کنند نشان دهند که اثبات معادل بودن دو بيان کلوين- پلانک و کلازيوس دليلي بر صحت قانون دوم ترموديناميک است. در حاليکه اين امر درستي قانون دوم را اثبات نمي کند. در اثبات اينکه دو بيان فوق الذکر معادل يکديگرند از يک مدل منطقي بهره جسته مي شود که مي گويد: " دو بيان, معادل هستند اگر صحت هر بيان منجر به صحت بيان ديگر گرددو اگر نقض هر بيان باعث نقض بيان ديگر شود." در ترموديناميک کلاسيک ,براي اثبات معادل بودن دو بيان کلوين- پلانک و کلازيوس نشان داده مي شود که نقض بيان کلازيوس منجر به نقض بيان کلوين- پلانک مي شود. وسيله ناقض بيان کلازيوس يک پمپ حرارتي است که نيازي به کار ندارد. به دليل اينکه انتقال حرارت خالص با منبع درجه حرارت پايين وجود ندارد پس پمپ حرارتي و موتور حرارتي و منبع درجه حرارت بالا مشتمل بر يک سيکل ترموديناميکي است اما فقط با يک مخزن تبادل حرارت داردبنابراين نتيجه مي شود کهناقضبيان کلوين- پلانک مي باشد. و گفته مي شود تساوي کامل اين دو بيان هنگامي اثبات مي شود که نقض بيان کلوين- پلانک نيز موجب نقض بيان کلازيوس بشود. با اين وصف بايد بپذيريم که دو بيان فوق, منتج از يکديگر هستند. " در اثبات معادل بودن چند گزاره اگر عبارتي بصورت B ?A بيان شده باشد آنگاه B نتيجه A است و A هم نتيجه B, بعبارت ديگر AوB معادل يکديگر هستند, بالعکس اگر A وBمعادل يکديگرباشند,هريک از آنها نتيجه ديگري است."معادل بودن دو بيان کلوين- پلانک و کلازيوس را مي توان با استفاده از قانون لايب نيتس نشان داد که مي گويد: اگر Aو Bيکسان و همانند باشند بايد تمام ويژگيها و خاصه هاي آنها نيز يکسان باشد.از اصل لايب نيتسگاهي به عنوان اصلنامتمايز بودن همانها indescernibility ofidenticals ياد مي شود.در واقع اين اصل منطقي بيان مي دارد که " اگر يک ويژگي يافت شود که A آن را داراست اما B فاقد آن است بنابراين A وBموجوديتهاي مجزايي خواهند بود." دو بيان کلازيوس و کلوين- پلانک معادل يکديگرند زيرا که هر دو متضمن اين ويژگي هستند که ساخت يک ماشين حرکت دائمي Perpetualmovementmachine ممکن نمي باشد. روشهاي اثبات منطقي در بسياري از قضاياي ترموديناميک بر پايهء آزمايشهاي ذهني مي باشد. نظير اثبات قضاياي کارايي سيکل کارنو که در آن نخست فرضي را مطرح کرده و سپس نشان داده مي شود که آن فرض به نتايج غيرممکن مي انجامد و چون روش استدلال در اين آزمايش ذهني نوعاً درست بوده تنها حالت ممکن اين است که فرض اوليه نادرست باشد.
اغلب گفته مي شود که نامساوي کلازيوس لازمه قانون دوم ترموديناميک است. نامساوي کلازيوس را با بررسي سيکل موتور حرارتي و يخچال اثبات مي کنند. اما با التفات به اثبات نامساوي کلازيوس بايد بپرسيم که چگونه نامساوي کلازيوس لازمه قانون دوم است در حاليکه طي مراحل آن از قانون دوم مستثني نيست و در روند اثبات آن مدام بهقانون دوم استناد مي شود؟در اينجا نامساوي کلازيوس,صحت خود را از درستي ازپيش معلوم فرض شدهء قانون دوم وام مي گيرد"هر دليلي که در دفاع از فرضيه اي اقامه مي کنيم بايد غير از نتيجه و مستقل از آن باشد. اگر تنها گواه صدق ما خود نتيجه باشد استنتاج مشتمل بر دور و لذا کاملاً نارضايت بخش خواهد بود." گواه صدق نامساوي کلازيوس نيز قانون دوم است بنابراين نامساوي کلازيوس نمي تواند لازمه قانون دوم ترموديناميک باشد.

نتايج فلسفي قانون دوم ترموديناميک

همانطور که قانون اول ترموديناميک منجر به تنظيم خاصيتي به نام انرژي شد قانون دوم ترموديناميک به ابداع مفهوم مجردي به نام آنتروپي(Entropy) مي انجامد. اين قانون ازاهميت فلسفي فوق العاده اي برخورداراست و هميشه نظريات و مباحثات گوناگوني پيرامون آن در گرفته است. قانون دوم را عده اي به عنوان دليلي بر وجود خدا بسيار با ارزش تلقي کرده اند(خدايي که جهان را در حالت کمترين آنتروپي آفريد و از آن پس جهان مدام از اين حالت دورتر مي شود و رو به تباهي مي رود).اما برعکس عده اي هم آنرا به دليل ناسازگاري با ماترياليسم ديالکتيک ونفي کمال پذيري وضعيت انسان مردود دانسته اند.آنتروپي معياري براي بي نظمي يک سيستم است. هرقدر نظم ساختاري و عملکردييک سيستم کمتر باشد گفته مي شود آنتروپي آن بيشتر است. طبق قانون دوم ترموديناميک هر فعاليت طبيعي موجب افزايش آنتروپيمي شود و جهت و گرايش طبيعت نيز به سوي بي نظمي است. "اوراق منظمي که پشت سر هم چيده شده اند يا کتابهايي که بطور مرتب در قفسهء کتابخانه قرار دارند ,اگر کوششي در جهت برقراري نظم آنها انجام نگيرد و مثلاً اهميتي داده نشود تا هر کتاب برداشته شده باز به جاي اوليه اش برگردانده شود بي نظمي يا به عبارتي آنتروپي آن روز به روز بيشتر خواهد شد". شايد به نظر برسد که در طبيعت فرايندهايي هم هست که در آنها از يک حالت بي نظم به يک حالت منظم برسيم. مثلافرايند ساختن ساختمان عبارتست از نظم دادن به مقداري آجر خاکسيمان و آهن پراکندهو بي نظم واينطور برداشت شود که چنين فرايندهايي در جهت افزايش نظم و به تبع آن کاهش آنتروپي پيش مي رود. اما بايد گفت که قانون دوم ترموديناميک يک سيستم را مجزا از محيط در نظر نمي گيرد. آنچه افزايش مي يابد آنتروپي کل است شامل محيط و سيستم. ممکن است در بخشهايي از سيستم شاهد کاهش آنتروپيودر نتيجه افزايش نظم باشيم اما بي ترديد در جايي ديگر با افزايش بيشتري در ميزان بي نظمي روبرو خواهيم بود. "مي توان نشان داد که تمرکز نظم در يک نقطه به قيمت افزايش بي نظمي در نقطه اي ديگر است.آنچه از تئوري و آزمايشات بر مي آيند نشان مي دهند که در کل هر سيستم مقدار افزايش بي نظمي بيشتر از کاهش آن است و از اين رو مجموعاً در هر فرايندي مقدار بي نظمي(آنتروپي) زياد مي گردد." در يک تحليل آماري مي توان به اين نتيجه رسيد که همواره تعداد حالات بي نظم يک سيستم بسيار پرشمارتر از حالات منظم آن هستند. "تکه هاي يک عکس را درون يک جعبه در نظر بگيريد. اين تکه ها در يک و تنها يک آرايش تصويري کامل مي سازند. از سويي ديگر آرايشهاي بسيار زيادي هستند که تصويرچيزي را درست نمي کنند و تکه هاي عکس در حالت بي نظمي به سر مي برند. هر چه جعبه را بيشتر تکان بدهيم تعداد آرايشهاي درهمو برهم که بيانگر هيچ تصويري نباشند بيشتر مي گردد. از ديدگاه آماري احتمال اينکه يک فرايند در جهتکاهش آنتروپي پيش رود صفر نيست. به بيان ديگر امکان بروز چنين حالتيبه قدري کم است که گويي غير ممکن است. اما نمي توان صراحتاً گفت که هيچ امکاني براي آن متصور نيست. جعبه اي را که حاوي يک گاز و در تعادل ترموديناميکي است در نظر مي گيريم. طبق تعريف, گاز موجود در جعبه حداکثر آنتروپي ممکن را خواهد داشت. نظر به اينکه همه مولکولها به طور مداوم در حرکتند احتمال اينکه مولکولهاي هوا به شکل خاصي قرار بگيرند و مثلا همه در يک گوشه جعبه متمرکز شوند وجود دارد ولي اين احتمال فوق العاده کم است. يعني از ميليارد ميليارد حالتي که اين مولکولها مي توانند داشته باشند تنها يک حالت ممکن است آن حالت منظم مورد نظر ما باشد که آنتروپي کمتري دارداحتمال چنين اتفاقي تقريباً صفر است. واقعيت اين استکه از نظر رياضي اين امکان وجود دارد که چنان آرايش منظمي اتفاق بيفتد ولي احتمال آن فوق العاده کوچک است.

افزايش بي نظمي و مرگ حرارتي(Heat death)

يکي از تعابيري که با اعمال قانون دوم ترموديناميک به کل جهان به دست مي آيد اين است که جهان در آغاز پيدايش, آنتروپي مشخصي داشته است ولي مقدار آن رفته رفته افزايش پيدا کرده است.اين افزايش آنتروپي تا جايي ادامه پيدا مي کند که جهان به حالت تعادل ترموديناميکي برسد. آنگاه از فعاليت باز خواهد ماند و هيچ اتفاقي در آن به وقوع نخواهد پيوست و به اصطلاح خواهد مرد. اين فرايند به مرگ حرارتي (Heat death) جهان معروف است. چنين استدلال مي شود که "با فرض اينکه جهان در آغاز خلقت در يکحالت کاملاً نامنظم و هرج و مرج کامل و تعادل ترموديناميکي بوده باشد احتمال اينکه به طور اتفاقييک جهان منظم ايجاد شده باشد فوق العاده کم است. پس بايد خالقيباشد که علاوه بر خلق همان جهان نامنظم آغازين, يکي از ميلياردها ميليارد حالت را برگزيند تا جهاني منظم مانند آنچه ما شاهدش هستيم به وجود آيد." نظريات مخالفي هم وجود دارد که بيان مي دارند جهان مي توانست در يک مدت طولاني در حالت تعادل ترموديناميکي باقي بماند. در چنان وضعيتي بالاخره لحظه اي مي رسيد که در گوشه اي به طور اتفاقي نظم به وجود بيايد. "اگرمدت ماندن جهان در حالت تعادل ترموديناميکي واقعاً بلند باشد احتمال آن افزايش مي يابد. خصوصاً اگر جهان را ازلي بدانيم ديگرمشکلي ازنظر زمان طولاني نخواهيم داشت. يکي از مشهورترين افرادي که وجود خالقي براي نظم دادن را لازم نمي بيند فيزيکدان مشهور آلماني بولتزمن(boltzmann) است."جهت افزايش بي نظمي به بياني همان پيکان زمان است کهفقط در يک سو جريان دارد. يعني تغييرحالت سيستم از يک حالت کم احتمال به يک حالت پر احتمال.ديدگاههايي که به پايان جهان در حالت تعادل ترموديناميکي و بي نظمي حداکثر معتقدند ابراز مي دارند که چون جهان به سوي بي نظمي و هرج و مرج مي رود و مقدار بي نظمي آن روز به روز افزايش مي يابد پس به همين دليل مي توان پيش بيني کرد که جهان هستي روزي به يک مقدار ماکزيمم در بي نظمي رسيده و فرو مي پاشد.اين تعبير طرفداران بي شماري دارد زيرا پيش بيني فرجام محتوم جهان خلقت در حالت مرگ و زوال مستلزم اين است که جهانهستي, ازلي و بي آغاز نبوده بنابراين آغاز و آفرينشي در کار بوده و بدين ترتيب از اين امر, وجود خدا را استنتاج مي کنند. در اينجا لازم است پديدهء مرگ و زوال از ديدگاه ترموديناميکي تبيين شود."از جمله تواناييهاي جالب تمام موجودات زنده خودساختاردهي است. بدين معني که ما براي ادامه زندگي, مدام به نظم دادن به ساختارهاي بي نظم خود مي پردازيم"البته اين فرايند مستلزم صرف انرژي و در نتيجه افزايش ناخواسته آنتروپي و ميزان بي نظمي ساختارمان است. موجودات زنده براي زنده ماندن به تغذيه و تنفس نياز دارند. "مواد غذايي ساختاري پيچيده و منظم دارند و آنتروپيآنها پايين است. هر سيستمي که آنتروپي پاييني داشته باشدانرژي متمرکز يا مفيد بيشتري دارد و لذا انرژي مفيد مواد غذايي بالاست.و اين مهمترين مشخصه آنهاست. بنابراين تغذيه و تنفس براي يک موجود زنده عبارتست از وارد کردن مواد کم آنتروپي به بدن و در نهايت پايين آوردن آنتروپي کل و طولاني کردن عمر" از اين رو زماني که موجود زنده اي در ارتباط با محيط نباشد زمان زيادي طول نمي کشد که کليه حرکاتش تحت تأثير اصطکاک و ساير عوامل برگشت ناپذيري که به افزايش آنتروپي مي انجامند متوقف شده توزيع دما در سرتاسر بدن موجود زنده يکنواخت گردد و در ادامه موجود زنده به يک تعادل ترموديناميکي برسد که مرگ خوانده مي شود. ما براي ادامه دادن به حيات خود, سعي مي کنيم سرعت رسيدن به تعادل ترموديناميکي را کندتر کنيم و اجازه ندهيم تا آنتروپي و بي نظمي بدن مانبه مقدار ماکزيمم خود برسد.اما همواره مقدار انرژي مصرفي بدن موجود زنده, بيشترازانرژي کسب شده آن است و در نتيجه بي نظمي يک سيستم زنده بي ترديد به يک مقدار حداکثري مي رسد. مانند تمام رويدادهاي طبيعت که با افزايش آنتروپي همراهند, آنتروپي موجود زنده نيز به دليل خودساختاردهي (که براي کند کردن روند رسيدن به تعادل صورت مي گيرد) مدام درحال افزايش است.بنابراين مرگ, همان رسيدن به حالت تعادل ترموديناميکي يا مقدار ماکزيمم بي نظمي براي بدن موجود زنده است.

چند مغالطه در استنتاج امتناع حيات جاودانه جهان

اما استدلال کساني که مرگ جهان و رسيدن آن به حداکثر آنتروپي را از اصل افزايش آنتروپي استنتاج کرده اند در برگيرندهء چند مغالطهء آشکار است. اولين آن مغالطه" تعويض وجه با کنه" يا "چهره با کل" (مغالطهء هيچ نيست بجز,nothing but) است. بدين معني که گفته نمي شود کدام وجه جهان در جهت نابودي و فروپاشي پيش مي رود. و مثلاً آيا اين امر براي وجوه ديگر جهان مثلا تنوع گونه هاي زيستي هم صادق است يا خير. آيا کل جهان را مي توان بعنوان يک سيستم در نظر گرفت ؟آيا مجموعه همه سيستمها خود يک سيستم است؟ (مي دانيم که چنين نيست مثلا مجموعه چند حرف کنار يکديگر, ديگر حرف نيست بلکه کلمه است). چگونه مي توانيم همان قواعدي را که براي اجزا به کار مي بريم براي کل نيزاستفاده کنيم؟ آيا مجاز به چنين استنتاجي از مشاهده وضع کنوني جهان و اصل افزايش آنتروپي ميباشيم؟ قطعاً پاسخ به چنين پيشگويي قاطعانه اي از فرجام جهان, منفي است. در چنين جهاني هيچ جايي براي ارادهء آزاد باقي نميماند و هر چيزي از پيش تعيين شده خواهد بود. اما در نظر گرفتن مساله فوق با همان مغالطه تعويض وجه با کنه نيز "مستلزم اين نخواهد بود که مقدار آنتروپي هيچگونه حد کمترين يا بيشتريني داشته باشد و مقدار آنتروپي مي تواند تا بي نهايت ادامه پيدا کند و هيچ مقدار حداکثري هم نداشته باشد" با اين تفاسير ,استنتاج امتناع حيات جاودانه براي کل جهان ازاصلافزايش آنتروپي غيرقابل قبول است. پير دوئم(Pierre duhem) ميگويد:" ما ترموديناميکي در اختيار داريم که عده اي از قوانين تجربي را به خوبي حکايت مي کند و به ما مي گويد که آنتروپي يک سيستم ايزوله در افزايش جاودانه است. بدون هيچ دشواري مي توان ترموديناميک ديگري ساخت که به همان خوبي ترموديناميک قديم, حاکي از قوانين تجربي معلوم شده تا حال باشد و پيش بيني هايش هم براي ده هزار سال آينده با پيشگويي هاي ترموديناميک قديم همگام و موافق باشد. و در عين حال اين ترموديناميک نوين ممکن است به ما بگويد که آنتروپي جهان پس از اينکه ظرف صد مليون سال آينده افزايش مي يابد براي صد مليون سال بعد ازآن مرتباً و متوالياً کاهش خواهد يافت و سپس دوباره افزايش خواهد يافت و... , علم تجربي به مقتضاي طبع از پيش بيني انتهاي جهان و ادعا درباره فعاليت دائم آن عاجز است" ثانياً براي يک پيشگويي علمي همواره براي حصول نتيجه بايد يک قانون کلي داشته باشيم به اضافه قضاياي مخصوصه که اين دو در کنار يکديگر, مقدمات تفسير را شکل مي دهند." درهر تفسير قياسي وجود يک قانون کلي به انضمام شرايط خاص حادثه ضروريست. بعبارت ديگراستنتاجنتيجه از يک تک مقدمه غيرممکن است"از قانون دوم ترموديناميک و به تبع آن از اصل افزايش آنتروپي, نمي توان رسيدن کل جهان را به حالت ماکزيمم بي نظمي را استنتاج نمود به اين دليل که شرايط خاص حادثه(Initial conditions) را در دست نداريم وبدون هيچگونه مدرک مستدلي, آن را معلوم فرض کرده ايم . در ثاني پيشاپيش فرض کرده ايم که همه تجربيات آينده از مشاهدات ترموديناميکي به همين صورت کنوني باقي خواهد ماند و آنگاه اين موضوع را که اصل افزايش آنتروپي به مرگ جهان مي انجامد, پيش بيني کرده ايم. بنابراين مقدمات تفسير,ناقص هستند.از اين رو طرح اين مساله که از قانون دوم ترموديناميک, امتناع حيات جاودانه جهان استنتاج مي شود چند ايراد منطقي از جمله مغالطه تعويض وجه با کنه, و پيش فرضهاي تجربه ناپذير را در بر مي گيرد

نامساوي کلازيوس وقانون دوم ترموديناميک
ترموديناميک و پراگماتيسم THERMODYNAMICS & PRAGMATISM

در اين بخش نشان داده مي شود که مباحث مرتبط با ترموديناميک مهندسي, اساساً بر بر پايهء ديدگاههاي مسلک اصا لت عمل (پراگماتيسم) بنا شده اند.
آيا سيکل کارنو صرفاً مدلي ذهني است و الي الابد هيچ نتيجهء عرضي دربر نخواهد داشت؟ آيا دستيابي به کارايي صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترموديناميک است؟ در اين نوشتار, پرسشهايي از اين دست, تحليل و بررسي مي گردد.
پرسشهاي فلسفي گسترده اي پيرامون ترموديناميک وجود دارد که تحليل آنها غالباً در حوزه مباحث فلسفهء علم جاي مي گيرد. ترموديناميک ,آنجا که در قالب مسائل مطروحه مهندسي ارائه مي گردد بيشتربه جنبه هاي عملگرايانه وديدگاههاي مبتني برپراگماتيسم pragmatism)) مي پردازد . بدين معنا که فلسفه هاي "کنه گرا" و اسکولاستيک (scholastic) که به ماهيات و هليات مي پردازند در ترموديناميک مهندسي ديده نميشوند. " فلسفهء پراگماتيسم, به جاي آنکه مبدأ اصل فکر و عقيده اي را بپرسد از نتايج و ثمرات آن جويا مي شود, لحن کلام را از مقولات و مبادي برميگرداند و از عواقب و نتايج سوا ل مي کند."[1]. در واقع پراگماتيسم,عطف نظر به عواقب و ثمرات و فوائد يک مبحث است. کلمه‌ پراگماتيسم (از کلمه يوناني پراگما به معناي عمل) را نخستين بار چارلز پيرس1914- 1839(Charles Pierce )در مقاله معروفش با عنوان "چگونه مي‌توان افکار خود را روشن ساخت"، به کار برده است. پيرس دراين مقاله ثابت مي‌کند که براي بررسي يک فکر, کافي است به تعيين رفتاري که اين فکر برمي‌انگيزاند، بپردازيم. در حقيقت پراگماتيسم, فلسفه اي است تمام عيارعليه ايده آليسم و کاوشهاي عقلاني محض که هيچ فايده اي براي انسان ندارد. پراگماتيسم قائل به اين است که حقيقت, امر جدايي از انسان نيست؛ بلکه تنها دليل براي اينکه يک نظر درست يا حقيقي باشد و نظر ديگري باطل و خطا، اين است که اولي در عمل به درد انسان بخورد و براي او کارآمد و موثر باشد و ديگري چنين نباشد. به اين ترتيب، معناي صدق قضيه در پراگماتيسم تغيير مي يابد . صدق هر گزاره، فقط توسط نتايج عملي آن سنجيده مي شود نه در مقايسه با واقعيت خارجي .از اين منظر, يک فکر يا عقيده تا وقتي که فقط عقيده است، بخودي خود نه صحيح است و نه غلط؛ بلکه فقط در جريان آزمايش و کار برد عملي آن , و فقط برحسب نتايجي که از آن استحصال ميشود، ارزش صدق و کذب پيدا مي کند. بنابر اين امکان رسيدن به حقيقت مطلق منتفي است. زيرا هم علم ، و هم مسائل و مشکلات ما همواره در حال تغيير است, پس در هر مرحله، حقيقت، آن چيزي خواهد بود که ما را قادر سازد تا به نحو رضايت بخش، مسائل و مشکلات جاري آن زمان را بررسي و حل کنيم .در مکتب پراگماتيسم، افکار و عقايد همچون ابزارهايي هستند براي حل مسائل و مشکلات بشر؛ تا زماني که اثر مفيدي دارند، صحيح و حقيقي اند و پس از آن خطا و نادرست مي شوند. بدين ترتيب , ممکن است عقيده اي طي مدتي موثرواقع شود و از اين رو حقيقي باشد؛ ليکن ممکن است بعدها نتايج رضايت بخشي نداشته باشد و به نظريه اي باطل و خطا تبديل گردد. پراگماتيسم ,وجود را منوط به نتيجه مي داند و هر اصالتي را بر حسب نتيجه اي که مي دهد ارزش گذاري مي کند . در حقيقت, پراگماتيسم وجود را بدون نتيجه ، عدم ميداند و حتي لزوم بررسي هم براي آن قائل نمي شود. ايده آ ل سازي در محاسبات ترموديناميکي , گواهي بر اين مساله است که ترموديناميک مهندسي برپايه ديدگاههاي پراگماتيستي قرار دارد. چرا که اغلب, جنبه هاي عملي موضوعات را در نظر مي گيرد و ديدگاههاي اسکولاستيک به معناي جستجوي علت العلل درآن راهي ندارند. زمانيکه مدلهاي ذهني اصطلاحاً غيرممکن در ترموديناميک مهندسي طرح مي گردد بيشتر عطف به موضوع صرفه اقتصادي يا محدوديت ابزار مي شود و سخني از عدم امکان مطلق آنها به ميان نمي آيد. بعبارت ديگر تعبيري که از اصطلاح "غير ممکن" مد نظر است نوعاً متفاوت با مساله محالات ذاتي يا وقوعي assertoric است.

امکان و تحقق سيکل کارنو

در اين بخش به بررسي مساله امکان (possibility) و يا تحقق سيکل کارنو و بعبارتي به تحليل برهان وجودي( (ontological proof سيکل کارنو مي پردازيم . آيا مفهومي به نام سيکل کارنو وجود (existence) دارد يا اينکه اين مدل , صرفاً يک تصوريا تخيل (imagination) در ذهن انسان است؟ اصطلاح وجود داشتن در اينجا قدري محل مناقشه است. چرا که تصور چيزي( يا امري) يا حتي تصور خصوصياتي براي چيزي، منجر به ضرورت (necessity) وجود آن نميشود. آنچه که بر وجود دلالت مي کند تجربهء خصوصيات معيني از آن چيز است که منجر به ضرورت و ايجاب (affirmative) وجود ميشود. وجود درخود، داراي نوعي تماميت ( (totalityاست , اما تماميت آن نزد ما آشکار نيست و البته همين دال بر وجود آن است. استقلال و خودايستايي وجود، امري اساسي است. اگرچنين نباشد، امرموجود، ثانوي وعَرَضي ((accidental است. براي تحليل اين پرسش که آيا سيکل کارنو يک چيز موجود است يا خير بايد به تبيين مساله وجود بپردازيم. براي وجود سه خاصه مطرح مي گردد که عبارت اند از:
الف) دگرگوني و تغيير(becoming)
ب) اثرگذاري و اثرپذيري (interaction)
ج) خودايستايي و خوداتکايي
هرقدر برتري امري از نظر ماهيت، بيشتر باشد، آنگاه احتمال و امکان وقوع يا بالفعل (actual) بودن و واقعيت داشتن آنreality)) به همان ميزان کمتر است. بايد دقت کرد که وجود، يک صفت و يا به بيان ديگر, يک محمول (predicate) حقيقي نيست. آيا مدل ايده آل سيکل کارنو موجودي است واجد همه صفات ايجابي واساساً هيچ ما به ازاء واقعي مي تواند داشته باشد؟ بايد گفت فقط وجود عيني و حاضر در جهان، بالضروره هست و انکار وجود آن نيز مستلزم تناقض ؛ اگر موجودي عينيت داشته باشد، وجود براي آن ضرورت است.البته امانوئل کانت, ثابت مي کند که مفهوم "موجودي که بالضروره وجود دارد" وجود ندارد و بيان مي دارد موجودي که انکار وجود آن مستلزم تناقض باشد، فاقد مفهوم است. مثلاً يکي از براهين کانت در اين باب اين است که گزاره ها propositions)) و قضاياي theorems)) وجودي، ترکيبي (synthetic) هستند، نه تحليلي ((analytic. بنابراين، انکارآنها منجر به تناقض نمي شود. اما درقضاياي تحليلي، محمول ازقبل در مفهوم ِ موضوع (subject) مندرج است، ازاينرو انکارآنها مستلزم تناقض است. در برهان آنسلم (Anselmus) که به برهان وجودي (ontological argument) معروف است ميخوانيم " وجود عيني عالي تراز وجود ذهني است، اما وجود ذهني مي تواند واجد خاصه هاي خيالي برتري باشد که وجود عيني فاقد آنهاست." به هر ترتيب , وجود ذهني در مخيله مي گنجد و مي توان آن را تصور کرد. في المثل کارايي صددرصد براي ما قابل تصور است و دست کم مي توانيم بگوييم که در ذهن موجود است. اما کارايي بيش از صد در صد را حتي تصور هم نمي توان کرد. تصور صورت اعلاي کارايي يک سيکل ترموديناميکي در ذهن ما کارايي صددرصد است و بيش از آن, چه درذهن و چه خارج ازذهن، قابل تصورنيست. کارايي صد درصد هرچند ازنظرعيني, هيچ و عدم باشد ، لااقل قابل تصوراست. (اگرچه که ازوجود ذهني چيزي يا امري, نمي توان وجود عيني آن را نتيجه گرفت). مفاهيمي هستند که حتي تصور هم نمي شوند. مثل کارايي بيشتر از صددرصد يا وجود عالي ترين موجود, مفهوم عالي ترين موجود حتي درذهن هم قابل تصورنيست، زيرا هرچه را درذهن تصورکنيم، بازهم عالي ترازآن را مي توان تصور کرد. يا مثال ديگر اينکه هرقدرعدد بزرگي را تصورکنيم، بازهم عدد بزرگترازآن را مي توان درنظر گرفت، اما عدد بي نهايت بزرگ يا بزرگترين عدد, وجود ندارد. اين مفاهيم فاقد حد هستند و بنابراين, هم غيرقابل تصور و هم ازنظرعيني هيچ و عدم اند . مفاهيم اين چنيني , از دسته موهومات و سفسطه ها ( (fallacyهستند. وقتي امري قابل درک يا تصور نباشد، قابل بيان هم نيست. شايد پرسيده شود پس جنبه هاي نامتناهي برخي از مفاهيم عيني، چگونه شکل مي گيرند؟ در پاسخ بايد گفت برداشتهاي غيرقابل تصور از امور عيني , برخاسته ازشيوه برخورد يا نحوه تبيين ماست. هرامرعيني، اگرچه دريک يا چند جنبه، نامتناهي و غيرقابل تصور باشد، حداقل دريک يا چند جنبه، متناهي و قابل تصوراست واتفاقاً همين امر هم هست که آن را عيني و موجود مي سازد براي مثال: عدد گنگِ(irrational number ) 2? وقتي بصورت يک عدد اعشاري، يعني ...4142135/1 بيان مي شود، اين رشته، نامتناهي وغيرقابل تصوراست، اما وقتي که تحت عنوان وتر يک مثلث قائم الزاويه ي متساوي الساقين که طول هرساقِ آن يک واحد است بيان شود، کاملاً قابل تصور وعيني مي گردد. "هرچيزي که فکر درباره آن مي انديشد چه به طور واضح مستدل باشد و يا نباشد, يک واقعيت است. در عين حال که ممکن است باطل و کذب باشد و يا به وضوح مدلل, ولي همچنان يک واقعيت است... دربارهء Actuality بايد گفت آيا Thing واقعيت دارد؟آيا حضورش يک واقعيت مسلم است؟ طبق فرهنگ لغات, واژهء Fact يعني آنچه که عملاً و به عينيت اتفاق افتاده است" [6] مطابق آنچه که گفته شد سيکل کارنو نوعاً واقعي (real) است.
و دست کم وجود ذهني آن را نمي توان انکار کرد. ضمن آنکه دانستيم هر واقعيتي، لزوماً عيني نيست؛ و همچنين بررسي کرديم که هرگاه امري, قابل فهم و درک و قابل توضيح و تصورنباشد، آن امراساساً وجود ندارد و بطور دقيق تر، واقعيت (reality) ندارد.

آيا دستيابي به کارايي صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترموديناميک است؟

عوامل برگشت ناپذيري (Irreversibility) سبب اتلاف انرژي شده و دستيابي به کارايي صددرصد را ناممکن مي کنند. سؤالي که منطقاً مطرح مي گردد اين است که اگر موتور حرارتي(Heat engine) با کارايي صددرصد عملي نيست حداکثر کارايي قابل حصول چقدر است؟ در پاسخ به اين پرسش بايد فرآيند ايده آل را تعريف کرد که فرآيند بازگشت پذير (Reversible) ناميده مي شود. فرايند بازگشت پذير براي سيستم به صورت " فرآيندي که قابل بازگشت است و به گونه اي انجام مي گيرد که هيچ گونه تغييري در سيستم يا محيط به جاي نمي گذارد" [7] تعريف مي گردد. از جمله عواملي که سبب بازگشت ناپذيري مي شوند مي توان چند عامل نظير اصطکاک, انبساط آزاد, انتقال حرارت به دليل اختلاف محدود درجه حرارت, اختلاط دو ماده مختلف, اثرات پسماند ,و اتلاف iR^2 در شبکه هاي الکتريکي و فرآيند احتراق را نام برد. اگر کارايي همه موتورهاي حرارتي کمتر از %100 باشد در اين صورت کاراترين سيکلي که در عمل مي توان داشت چيست؟ چنين برداشتي دقيقاً بيانگروجود ديدگاههاي مبتني بر پراگماتيسم در ترموديناميک مهندسي است. بر اساس اين ديدگاه ,اميد به ساخت و طراحي ماشين هاي حرکت دائم PMM و نيز بهره برداري صددرصد از موتورهاي حرارتي بي فايده تلقي شده و به بيان ديگر از ما مي خواهد که مناقشه بر سر کارايي صد درصد را اساسا ً کنار بگذاريم و در مقابل به آنچه عملاً ميسر و در دسترس است بپردازيم تا بلکه براي ما دستاوردها و نتايج عملي سودمند داشته باشد. اگر همه فرآيندهاي يک سيکل ترموديناميکي بازگشت پذير باشند کاراترين سيکلي که مي تواند بين دو منبع درجه حرارت ثابت عمل کند سيکل کارنو(carnot) است. در اين حالت, سيکل نيز بازگشت پذير خواهد بود و از اين رو چنانچه سيکل معکوس گردد موتور حرارتي تبديل به يخچال خواهد شد. سيکل کارنو چهار فرآيند اساسي را در بر مي گيرد که شامل دو فرآيند دما ثابت بازگشت پذير و نيز دو فرآيند آدياباتيک بازگشت پذير (آيزنتروپيک) مي باشد. دو قضيه درباره کارايي سيکل کارنو وجود دارد که نشان مي دهد نمي توانيم موتور بازگشت ناپذيري داشته باشيم که کارايي آن از موتور بازگشت پذيري که بين همان دو منبع کار مي کند بيشتر باشد. (چنين فرضي به نقض قانون دوم ترموديناميک منجر خواهد شد). و قضيه ديگر بيان مي دارد که همه موتورهايي که در سيکل کارنو بين دو منبع درجه حرارت ثابت عمل مي کنند داراي کارايي يکساني خواهند بود. در اين مورد فرض مي شود سيکل کارنويي وجود دارد که کارايي آن از سيکل کارنوي ديگري که بين همان دو منبع کار مي کند بيشتر است و در نهايت اين فرض اوليه نيز به نقض قانون دوم ترموديناميک مي انجامد. ضمن آنکه استدلال نوعاً درستي داشته ايم تنها نتيجه ممکن اين خواهد بود که فرض اوليه نادرست بوده باشد. مغايرت فرآيندهاي حقيقي با مدلهاي ايده آل مربوط به عوامل برگشت ناپذيري است. بنابراين درمباحث ترموديناميک مهندسي پذيرفته شده است که هرگز نمي توان بر عوامل برگشت ناپذيري غلبه کرد و از اين رو دستيابي به کارايي صد در صد از اساس منتفي است. با اين وصف سيکل کارنو صرفاً يک مدل ايده آل ذهني است و تاکنون وجود عيني نداشته است. پس ترموديناميک مهندسي تنها با سيکلهاي مبنا سر و کار خواهد داشت و به "ملاحظاتي در مورد تعديلات خاصي که هدف از آنها بهبود عملکرد در سيکلهاي مبناست" مي پردازد. نمونه هايي از اين تعديلات در راستاي افزايش کارايي سيکلهاي مبنا را مي توانيم در تعبيه و طراحي ابزار و تجهيزاتي نظير بازياب ها و گرمکن آب تغذيه و … مشاهده کنيم. نيروگاه هاي ساده بخار در سيکل رنکين کار مي کنند که کارايي آن از کارايي سيکل کارنو کمتر است. به دو دليل سيکل رنکين يک سيکل مبناست. اول اينکه در فرآيند پمپ کردن سيکل کارنو سيال کاري در ناحيه دوفاز قرار دارد و ساختمان پمپي که بتواند مايع و بخار را دريافت و به صورت مايع اشباع تخليه کند با مشکلات زيادي روبرو خواهد شد. ثانياً در سيکل کارنو تمام انتقال حرارت بايد در درجه حرارت ثابت انجام بگيرد.اين بدان معني است که حرارت بايد به بخار در حال انبساط و توليد کار انتقال يابد که اين چندان ممکن نيست.(اما در سيکل رنکين, بخار در فشار ثابت مافوق گرم مي شود.)

بنابر اين سيکل رنکين سيکل ايده آلي است که در عمل مي توان تقريب زد. از اين رو راهکارهايي انديشيده مي شود تا کارايي سيکل مبناي رنکين به کارايي مدل ايده آل کارنو نزديک شود که از آن جمله مي توان به تأثير متغيرهايي چون فشار و درجه حرارت اشاره کرد. در عين حال اين تمهيدات هر يک محدوديت خاصي را نيز ايجاب مي کنند. به عنوان مثال کاهش فشار کندانسور, افزايش فشار بويلر و مافوق گرم کردن بخار آب در بويلر که به افزايش کارايي سيکل رنکين مي انجامند محدوديتهاي زيادي را دربردارند. سايش تيغه هاي توربين, افزايش محتوي رطوبت و کيفيت بخار آب و ... از پيامدهاي آن است. مدلهايي نظير سيکل بازياب ايده آل نيز به دليل همين محدوديتهاي ابزار عملي نيستند. کارايي سيکل بازياب ايده آل دقيقاً برابر با کارايي سيکل کارنو است. اما موانعي بر سر تحقق آن وجود دارد. نخست آنکه "امکان انتقال حرارت لازم از بخار آب موجود در توربين به آب تغذيه وجود ندارد. ديگر اينکه به علت انتقال حرارت, محتوي رطوبت بخار خروجي از توربين به مقدار قابل ملاحظه اي افزايش خواهد يافت که مي تواند به سايش تيغه هاي توربين منجر شود. " [7] برداشت بخار از ديگر تمهيداتي است که براي افزايش کارايي سيکل انجام مي گيرد. اگر از تعداد زيادي مرحله برداشت بخار و گرمکن هاي آب تغذيه استفاده شود کارايي سيکل نزديک به کارايي سيکل ايده آل بازياب (معادل کارايي سيکل کارنو) خواهد شد. ليکن در نيروگاهها مراحل برداشت بخار به ندرت از پنج مرحله بيشتر مي شود. " اين کار در عمل از نظر اقتصادي قابل توجيه نيست, زيرا صرفه جوييهاي ناشي از افزايش کارايي به مراتب کمتر از آن است که هزينه تجهيزات اضافي (گرمکن آب تغذيه, لوله کشي و .. را جبران کند. " انجام اين تمهيدات _بدون در نظر گرفتن صرفه اقتصادي_ ,استفاده از تعداد بسيار زيادي گرمکن حرارتي, در اختيار داشتن پمپي که هيچ الزامي بر مايع بودن فاز ورودي آن درکار نباشد و بتواند در ناحيه دو فاز عمل کند, بويلري که در سوپرهيت کردن بخار, محدوديت حرارتي نداشته باشد, شايد روزي دستيابي به کارايي صد در صد را ممکن کند. و باز هم شايد بتوان تصور کرد روزي با طراحي و تعبيه گريزگاههايي بتوان افتهاي توربين, افتهاي پمپ, افتهاي چگالنده ,افتهاي لوله کشي, که همه به نوعي بر اثر وجود عوامل بازگشت ناپذيري شکل مي گيرند و سد راه افزايش کارايي ميگردند, را جبران و عملاً بي اثر نمود, بي آنکه ناقض قانون دوم ترموديناميک باشد, درست هماگونه که تأثير برخي از راهکارها را در افزايش کارايي مشاهده نموديم. بنابراين دستيابي به کارايي صد درصد مي تواند مستلزم نقض قانون دوم ترموديناميک نباشد و با واسطه و بدون نقض اين قانون هم بتوان بر عوامل بازگشت ناپذيري غلبه کرد.

تکامل ترموديناميکي

مبحث تکامل ترموديناميکي بعنوان يک موضوع جدي در مکانيسم تکامل ? بخصوص تکامل شيميايي تکامل مولکولي و تکامل انساني همچنين فرآيندهاي مرتبط با جريان حرارت انرژي گرمايي از خورشيد مطرح است. از نقطه نظر ترموديناميکي هر سيستم ترموديناميکي شامل مجموعه اي از اتمها و مولکولها در واکنشهاي گرمايي هسته اي ? واکنشهاي احتراق و غيره تا رسيدن به تعادل گرمايي ادامه خواهد يافت. بر همين اساس ? تنوع گونه هاي حيات ? بر مبناي مجموعه اي از اتمها و مولکولها به لحاظ ساختاري مي تواند با سيستم هاي ترموديناميکي تبيين گردد.

مناقشه:

در اين مبحث اگر عنوان گردد که هم سيستم هاي زنده و هم سيستم هاي غير زنده از قوانين ترموديناميک تبعيت مي کنند دستاوردهاي ساليان اخير در باب تکامل شيميايي حيات ? به چالش کشيده خواهد شد. اين موضوع تحقيق ذيل عنوان "تکامل ترموديناميکي" مورد بحث قرار مي گيرد. دو مناقشه اصلي در تبيين ترموديناميکي تکامل در اين مبحث با اين پرسش آغاز مي گردد که کدام نوع از تعادل و کدام نوع سيستم جزئيات متناهي پروسه تکامل را بهتر تشريح مي کند؟ در ترموديناميک انواع گوناگوني از سيستمهاي تعادلي وجود دارد. اعم از نامتعادل و نشان گذاري شده و همچنين انواع گوناگوني در تعريف سيستم وجود دارد. نظير سيستم هاي باز ? بسته و نيز سيستمهاي ايزوله. قوانيني که کميتهاي ماکروسکوپيک دخيل در فرآيندهاي شامل گرما (مانند فشار ، حجم ، دما ، انرژي داخلي و آنتروپي) را به هم مربوط مي‌کنند، اساس ترموديناميک کلاسيک را تشکيل مي‌دهند. اگر بتوانيم کميتهاي ماکروسکوپيکي را برحسب کميتهاي ميکروسکوپيک تعريف کنيم، مي‌توانيم ترموديناميک را به صورت رياضي و فرمول‌بندي به زبان مکانيک آماري بيان کنيم. در ترموديناميک توجهمان به داخل سيستم معطوف مي‌شود. ديدگاه ماکروسکوپيکي را اختيار مي‌کنيم و بر آن دسته از کميتهاي ماکروسکوپيکي تاکيد مي‌کنيم که رابطه‌اي با حالت داخلي سيستم داشته باشند. تعيين کميتهايي که براي توصيف اين حالت داخلي لازم و کافي هستند، به عهده آزمايش است. آن کميتهاي ماکروسکوپيکي که به حالت داخلي سيستم مربوط هستند، مختصات ترموديناميکي خوانده مي‌شوند. مختصات ترموديناميک براي تعيين انرژي داخلي سيستم بکار مي‌آيند. در واقع هدف ترموديناميک کلاسيک پيدا کردن روابط کلي بين اين مختصات ترموديناميکي است که با قوانين بنيادي ترموديناميک سازگار باشند.

اساس مناقشه اي که مطرح شد به سخنراني ايليا پريگوگين ذيل عنوان "زمان? ساختار و نوسانات" در سال 1977 باز مي گردد. پيش از اين سخنراني به طور کلي ترموديناميک با مفاهيم کلاسيک تبيين مي گرديد که به طور بنيادين بر اساس تئوري کلاسيک ماشينهاي بخار بيان مي شد. وي سرانجام به بيان جنبه هاي مهم تکامل بر پايه ترموديناميک پرداخت. ترموديناميک کلاسيک در سال 1824 با انتشار مقاله سعدي کارنو شکل گرفت. پس از آن قانون اول و دوم ترموديناميک توسط دانشمنداني نظير هربرت اسپنسر در سال 1880 فرموله شد. بولتزمان پروسه تکامل را تبيين نمود. قوانين ترموديناميک کلاسيک در سال 1824 بصورت منسجم بيان گرديد
طبق گفته اين دانشمندان مناقشه و جدل روي مسئلهء وجود? اساساً به جدل روي مسئلهء انرژي و بقاي آن باز مي گردد. براي مثال در يادداشتهاي شخصي اسپنسر چنين آمده است: " پيکان تکامل? تغيير از گونه هاي پست تر به گونه هاي عالي تر به تبع تجمع و يکپارچگي ماده و اتلاف انرژي است" .
پريگوگين در سخنراني و مقالاتي که در پي دريافت نوبل اش ارائه داد اساساً ساختارهاي تعادلي را تعريف نمود که به چيزهايي نظير کريستالها و موجودات غير متحرک و به منظور تعريف ساختارهاي نامتعادل نظير جمعيت و همچنين موجودات متحرک اطلاق مي گردند. وي سپس بيان نمود تا آن زمان در مطالعه تکامل از اصول مسلم و بنيادين ترموديناميک کلاسيک استفاده نشده و تنها ترموديناميک سيستمهاي متعادل ? پديده تکامل را تشريح نموده اند. اين بيانات تا سالها بعد توسط دانشمندان بعنوان يک واقعيت پذيرفته شد.
پريگوگين در مقدمه آن مقاله و سخنراني مشهور يادآوري مي نمايد که ترموديناميک تعادل تنها بخش کوچکي از ترموديناميک نظير انرژي آزاد هلموتز و غيره سيستمهاي با حجم و دماي ثابت را توصيف مي کند:
F = U – TS
يا از قبيل انرژي آزاد گيبس سيستم هاي با فشار و حجم ثابت.
G = H – TS
آنگاه پريگوگين اين پرسش را مطرح مي نمايد که " آيا غالب انواع ساختارهاي پيرامون ما چنين طبيعتي دارند؟" پاسخ پريگوگين چنين است: خير!
دلايل بي شماري وجود دارد که ببينيم پاسخ به اين سوال منفي است. بديهي است که در يک شهر و در يک سيستم زنده شاهد گونهء کاملاً متفاوتي از اين نوع کارکرد هستيم. به منظور ارائه يک تئوري منسجم ترموديناميکي براي ساختارهايي از اين دست اين الزام وجود دارد که نشان دهيم سيستمهاي نامتعادل ممکن است در واقع موجد نظم باشند. بر اساس اين فرض پريگوگين توضيحات خود را چنين ادامه
مي دهد : فرايندهاي بازگشت ناپذير ممکن است به ظهور گونه هاي جديدي از حالات ديناميک ماده منجر شود. حالتي که وي آن را dissipative structures يا ساختارهاي اتلافي مي نامد. علي ايحال بجاست که بگوييم تئوري ترموديناميک غير متعادل و ناپايدار به نسبت ترموديناميک حالات متعادل ? تئوري منسجم تر و بعبارتي مستحکم تري است که در نهايت پديده تکامل و تشکيل ساختارهاي زنده را تشريح و تبيين مي نمايد. با به چالش کشيدن مبدعان ترموديناميک کلاسيک توسط تئوري ساختارهاي اتلافي پريگوگين طي سي سال گذشته اساساً اين تئوري بعنوان يک تئوري مجزا از ترموديناميک کلاسيک مطرح گرديده است.
از جمله نظرات موافق با تئوري غير تعادلي فوق الذکر مي توان به کتاب John Avery (منتشر شده در سال 2003) اشاره نمود که در جايي بيان مي دارد:
انسجامي ميان قانون دوم ترموديناميک و پيچيدگي سيستمهاي زنده پديد آمده که از مبحث انرژي آزاد گيبس منتج شده و مي تواند به مکانيسم زيستي موجودات زنده نيز تعميم داده شود.
منابع و مآخذ:
[1]تاريخ فلسفه/ جلد دوم/ پراگماتيسم/ زرياب خويي
[2] عينيت و واقعيت/اميل ميرسون Emil Meyerson / [3]ساختار انقلابهاي علمي/ توماس كوهن
[4] نسبيت خاص/ هادي هادي پور
Segments [5] Philosophical / Dr. F. Hamidi
[6]حقيقت و واقعيت/مناظرات كريشنا مورتي و دكتر بوهم
[7]ترموديناميك مهندسي/ زونتاگ بورگناك ون وايلن
به نقل از سي پي اچ تئوري
http://cph-theory.persiangig.com/
کانون دانش ( www.knowclub.com )
http://cph-theory.persiangig.ir/
http://cph-theory.persiangig.ir
http://cph-theory.persiangig.ir
http://cph-theory.persiangig.ir
References
? Adkins, P. (1984). The Second Law. New York: Scientific American Books.
? Avery, J. (2003). Information Theory and Evolution. New Jersey: World Scientific.
? Bennett, C. H. (1990), July, Complexity, Entropy, and the Physics of Information. "How to Define Complexity in Physics, and Why." (pages: 137-148), Addison-Wesley, ISBN 0201515067, [PDF]
? Bennett, C. H. (1985). Emerging Syntheses in Science. "Information, Dissipation, and the Definition of Organization", (pages: 297-313), Addison-Wesley, Reading, Massachusett, ISBN 0201156865, [PDF]
? Gladyshev, G. (1987). Thermodynamic Theory of the Evolution of Living Beings. New York: Nova Science Publishers Inc. ISBN: 1560724579
? Haynie, D. (2001). Biological Thermodynamics. (textbook). Cambridge: Cambridge University Press.
? Perrot, P. (1998). A to Z of Thermodynamics (dictionary). New York: Oxford University Press.
? Prigogine, I. (1984). Order out of Chaos. New York: Bantam Books.
? Schneider, E. & Sagan, D. (2005). Into The Cool - Energy Flow, Thermodynamics, and Life. Chicago: University of Chicago Press.
? Schrodinger, E. (1944). What is Life. Cambridge: Cambridge University Press.
/خ