در شکل بالا (1) دو مولکول گاز با یکدیگر برخورد کرده و بر اثر آن یک فوتون منتشر می شود. فوتون مزبور طی چندین کنش با مولکولهای مختلف سرانجام به دیواره ظرف می رسد و جذب آن می شود. یک الکترون در دیواره ظرف با جذب فوتون به تراز انرژی بالاتر صعود می کند و دیواره گرم می شود. سپس فوتون یاد شده تابش می شود و دیواره به حالت قبل بر می گردد. در قسمت (2) یک مولکول با دیواره ظرف برخورد کرده و یک فوتون تولید و به محیط خارج ظرف منتقل می شود. هرچه دمای ظرف بیشتر باشد، تعداد و انرژی فوتونهای تابشی بیشتر است. از طرف دیگر انرژی جنبشی مولکولهای موجود در گاز، تنها مربوط به الکترون آنها نیست، بلکه هسته ی اتمها نیز در این انرژی جنبشی سهیم هستند و هنگام برخورد و انتشار موج الکترومغناطیسی، هسته ها نیز قسمتی از انرژی جنبشی خود را از دست می دهند. همچنانکه شکل بالا (3) نشان می دهد، این فرایند یکطرفه نیست، بلکه تمام گازها، مایعات و فلزات تابش می کنند، اما با مکانیزمهای مختلف. بهمین دلیل دو محیط که کنار هم قرار دارند، با یکدیگر در حال تبادل گرمایی بسر می برند تا به حالت تعادل برسند. در حالت تعادل نشر انرژی وجود دارد اما مقدار ورودی و خروجی با هم برابرند. بهمین دلیل هر دو جسمی که با هم در حالت تعادل گرمایی باشند، دارای دمای یکسانی هستند. بنابراین جریان تابش فرایندی دائمی و داخلی است که هیچ ربطی به محیط ندارد و اثر محیط تنها به انتقال گرما از بیرون به درون محدود می شود. بعنوان مثال در سیستم خورشید و زمین، زمین تابش می کند، بهمین دلیل هنگام شب سطح زمین، آب دریاها و هوای جو سرد می شود و روز بعد با تابش مجدد خورشید دوباره گرم می شوند. اگر زمین گرما دریافت نکند، با تابش طولانی مدت سرد و سرد تر می شود. اما چرا اجسام تابش می کنند و این تابش تا کجا ادامه دارد؟
در حالت پایه هیچ تابشی وجود ندارد. دما صفر مطلق و سرعت انتقالی نیز صفر است.
اتم جامدات در جای خود حرکت ارتعاشی دارند، مایعات در اطراف خود حرکت می کنند و گازها با سرعت متوسط حرکت می کنند
اینکه حالت پایه در نظریه سی. پی. اچ. بر صفر مطلق یعنی 15/273- درجه کلوین منطبق هست یا نه، مطلبی است که آزمایشات نشان خواهد داد. اما با تعریفی که در ترمودینامیک از صفر مطلق می شود، قاعدتاً باید بر هم منطبق باشند.
فرض کنیم مقداری ماده در حالت پایه قرار دارد. با تابش الکترومغناطیسی ماده را حرارت می دهیم. یعنی تعدادی CPH که با سرعت c حرکت می کنند وارد سیستم می شود. اندازه حرکت اولیه سیستم صفر است، زیرا سیستم در حالت پایه قرار دارد.
که در آن mCPH جرم سی. پی. اچ. و v سرعت متوسط مولکولها است. هرچه بیشتر به سیستم حرارت داده شود، سرعت متوسط مولکولها بیشتر می شود. در تجربه های روز مره از جمله گرم کردن آب یا حرارت دادن به یک تکه آهن یا گاز داخل ظرف، همه از این رابطه کلی پیروی می کنند و اندازه حرکت ذرات تشکیل دهنده ی سیستم تغییر می کند. در جامدات افزایش اندازه حرکت موجب ارتعاش سریعتر آنها می گردد در حالیکه در گاز باعث افزایش سرعت متوسط مولکولها می گردد.
بهمین ترتیب می توان تابش را با خروج سی. پی. اچ. از سیستم توضیح داد. هنگامیکه جسم تابش می کند، تعدادی سی. پی. اچ. بصورت امواج الکترومغناطیسی و با سرعت نور c از سیسم خارج می شود و اندازه حرکت و در نتیجه انرژی سیستم کاهش می یابد.
تابش از دیدگاه سی. پی. اچ.
در نظریه سی. پی. اچ. نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند، یعنی نیرو به انرژی تبدیل می شود و انرژی نیز به نیرو تبدیل می گردد. با توجه به رابطه
اگر کار مثبت باشد، انرژی جسم (یا ذره ) افزایش می یابد که در این صورت نیرو به انرژی تبدیل شده است. اگر کار انجام شده روی جسم منفی باشد، یعنی جسم انرژی از دست بدهد، انرژی به نیرو تبدیل می شود. آگر کار انجام شده برابر با صفر باشد، هیچ تغییری در انرژی جسم ایجاد نمی شود.
بنابراین هنگامیکه الکترون در ساختمان اتم روی مداری خاص به دور هسته می گردد، هرچند دارای شتاب است اما کار انجام شده روی آن صفر است و تغییری در انرژی آن ایجاد نمی شود. اما هنگامیکه الکترون شتاب بگیرد، بطوریکه کار انجام شده روی آن صفر نباشد، امواج الکترومغناطیسی تابش می کند. یعنی تابش امواج الکترومغناطیسی توسط ذره ی باردار تابع کاری است که روی آن انجام می شود. در این بحث هنوز دو نکته مشخص نشده است، یکی اینکه اصولاً چگونه تابش امواج الکترومغناطیسی توسط ذره ی باردار شتاب دار قابل توضیح است؟ و دیگر اینکه چرا هنوز تابش ذره ی باردار در میدان گرانشی (آنچنان که نسبیت پیش گویی کرده) با تجربه ثابت نشده است؟
طبق نظریه ی سی. پی. اچ. هرگاه یک ذره ی باردار حرکت کند، گرانش در مقابل این حرکت مقاومت می کند و مقاومت گرانش با حرکت ذره ی باردار به صورت نیروی مغناطیسی ظاهر می شود. اما اگر ذره ی باردار علاوه بر سرعت، شتاب نیز داشته باشد بطوریکه کار انجام شده روی آن مخالف صفر باشد، امواج الکترومغناطیسی تابش می کند. در ساختمان اتم جون کار انجام شده روی الکترون صفر است ، لذا تا زمانیکه در یک مدار خاص حرکت می کند، انرژی تابش نمی کند.
بنابراین تابش امواج الکترومغناطیسی یک بار شتاب دار تابع مقدار کاری است که روی آن انجام می شود .
در مورد سقوط یک ذره ی باردار در میدان گرانشی باید به جرم ناچیز ذره توجه کرد که با توجه به رابطه ی
W=F.d=mgh
کاری که نیروی گرانش روی ذره ی باردار انجام می دهد بسیار ناچیز است و آشکار سازی آن به ابزار بسیار دقیقی نیاز دارد.
علت تابش گرما توسط اجسام
حال به ساختمان اتم برگردیم و تابش گرما توسط اجسام را بررسی کنیم. هرچند که طبق مدل اتمی بوهر و معادلات شرودینگر، تا الکترون از مدار بالاتر به مدار پائین تر سقوط نکند تابش نمی کند، اما این تمام واقعیت نیست. زیرا اتم حالت استاتیک ندارد و دائماً ذرات درون آن تحت تاثیر یکدیگر قرار دارند. لذا با حرکت مولکولها یا نوسان آنها در کنار هم، با در نظر گرفتن میدانهای الکترومغناطیسی موجود در اطراف ذرات تشکیل دهنده ی آنها، این ذرات دائماً روی یکدیگر کار انجام می دهند، بنابراین ذرات زیر اتمی موجود در سیستم، بطور مداوم توسط یکدیگر شتاب می گیرند و موج الکترومغناطیسی منتشر می کنند. مقدار و شدت تابش در اجسام تابع سرعت حرکت یا نوسان ذرات باردار موجود در سیستم است (شکل زیر).
نمایی ساده از اتمها در یک سیستم
در شکل بالا نمایی ساده از اتمهای موجود در سیستم نشان داده شده است. اتمها در مجاورت هم حالت دوقطبی الکتریکی دارند، زیرا بار های منفی یکدیگر را دفع می کنند و الکترونها به یک سمت و هسته بسمت دیگر رانده می شود. اما به علت حرکت اتمها (یا مولکولها)، حالت الکتریکی اتمها ثابت نمی ماند و دائماً تغییر می کند، این تغییرات که ناشی از اعمال نیروی خارجی است، روی ذرات بار دار اتم کار انجام می دهد و موجب شتاب گرفتن آنها می شود. ذره ی باردار شتاب دار، انرژی الکترومغناطیسی تابش می کند. تابش انرژی گرمایی موجب از دست دادن انرژی درونی سیستم می شود و سیستم بتدریج سرد می شود. فرکانس تابش تابع دمای سیستم است (شکل زیر).
با افزایش دمای سیستم، فرکانس تابش نیز افزایش می یابد.
در شکل بالا نشان داده شده که چگونه با افزایش دمای سیستم فرکانس تابش از قرمز بسمت زرد، سبز، آبی و سر انجام به ماورای بنفش جابجا می شود. اجسام در دمای معمولی تابشی با طول موجهای بلند دارند، با افزایش دما رنگ (طول موج) تابش تغییر می کند، اما تابش های قبلی را نیز با شدت کمتری ادامه می دهد. حال اگر فرمول وین و بیشترین تابش را مرور کنیم (شکل زیر)، بخوبی همه تابش ها را می توان توضیح داد.
در میان همه تابشهایی که جسم گسیل می کند، شدت بیشترین تابش آن تابع دمای آن است
بیشترین تابش جسم تابع دمای آن است، اما سایر تابش ها نیز ولی با شدت کمتری وجود دارند. احتمال اینکه یک جسم سرد فوتون بنفش تابش کند وجود دارد، اما این احتمال و تعداد فوتونهای بنفش خیلی کم است، در حالیکه احتمال سایر تابش ها بیشتر است و هرچه به طول موج بلندتر نزدیکتر شویم، احتمال تابش آن بیشتر می شود.
زیر طبق نظریه سی. پی. اچ. تابش به دلیل کاری که روی ذرات باردار انجام می شود صورت می گیرد. برای توضیح بهتر گاز درون ظرف را در نظر بگیرید که به آن حرارت می دهیم. مولکولها از دو طریق روی یکدیگر کار انجام می دهند:
1 - برخورد مستقیم: در این حالت به کار زیادی که بر اثر برخورد روی ذرات باردار انجام می شود، ذرات شتاب زیادی می گیرند، بنابراین انرژی تابش نیز زیاد است.
2- اثر تغییر میدان: در این حالت مولکولها از کنار یکدیگر عبور می کنند (اما برخورد نمی کنند) و موجب شتاب جزئی ذرات باردار می شوند و چنین شتابی موجب تابش امواج الکترومغناطیسی با طول موجهای بلند می شود.
این دو حالت را می توان کار منفی سیستم روی خودش نامید که موجب می شود بر اثر تابش، جسم سرد شود. سرد شدن نیمه تاریک ماه یا زمین به دلیل کار منفی است که سیستم روی خود انجام می دهد.
در فرایند بالا یک حالت خاص وجود دارد که کار منفی سیسم روی خودش را محدود می کند. برای اجسام کوچک گرانش نقش قابل توجهی ندارد. اما با افزایش جرم، آثار فشار گرانشی ظاهر می شود و موجب تغییرات کلی در سیستم می گردد. افزایش جرم سیستم باید در حدی باشد که اتمهای موجود در سیستم بر اثر شتاب گرانشی سرعت قابل توجهی بگیرند. با سرعت گرفتن اتمها برخورد بین آنها موجب تابش بیشتر می شود و از این لحضه به بعد، سیستم خود گرمازا خواهد شد. تشکیل ستارگان بر این اساس است. وقتیکه جرم به اندازه کافی افزایش یافت، اتمها به سرعتهای بالا می رسند و بر اثر برخورد با یکدیگر ترکیب شده و جوش هسته ای آغاز می گردد و مقادیر متنابهی انرژی آزاد می شود و سیستم داغ و داغتر می شود. اما در اینجا نیز سیستم کار منفی روی خود انجام می دهد، اما کار مثبتی که روی خودش انجام می دهد، بیشتر از کار منفی است.
کار انجام شده توسط سیستم روی خودش
سیستمی را در نظر بگیرید که دارای دمای T است. بنابر آنچه که در بخش قبل گفته شد، ذرات درون سیستم روی یکدیگر کار انجام می دهند و موجب تابش گرمایی می شوند. بنابراین می توان یک تابع کار دورنی برای سیستم تعریف کرد که تابع دمای سیستم است. هرچه دمای سیستم بالاتر باشد، کار بیشری انجام می شود. اما کار انجام شده توسط سیستم روی خودش منفی است، زیرا بر اثر این کار، سیستم گرما منتشر می کند و از دمای آن دائماً کاسته می شود. در هر صورت تابع کار بصورت زیر است:
W=W(T)<0
چون کار انجام شده روی سیستم منفی است، بنابراین انرژی درونی سیستم دائماً کاهش می یابد. از طرف دیگر هرچه کار بیشتری توسط سیستم روی خودش انجام شود، دما بیشتر کاهش می یابد. بنابراین توان هر سیستمی با گذشت زمان کاهش می یابد. اگر توان سیستم را با p نشان دهیم می توان برای هر سیستم اختیاری بصورت زیر تعریف کرد:
تابع توان سیستم
که در آن dp/dt تغییرات توان سیستم نسبت به زمان و k جمع جبری تعداد سی. پی. اچ. های خروجی و ورودی به سیستم در واحد زمان است. یعنی:
k=k1-k2
که در آن k1 تعداد سی. پی. اچ. های خروجی و k2 تعداد سی. پی. اچ. های ورودی به سیستم است. اگر k>0 باشد، توان کاهش می یابد، زیرا تعداد سی. پی. اج. های خروجی بیشتر از تعداد ورودی است و سیستم در حال سرد شدن است مانند تابه ای که از روی اجاق برداشته شود. اگر k<0 باشد، توان سیستم رو به افزایش است مانند گاز در حال گرم شدن.
برای دو سیستم که در حال تبادل گرمایی هستند نیز می توان از همین رابطه استفاده کرد. برای این دو سیستم می توان گفت هرگاه k=0 باشد، دو سیستم در حال تعادل گرمایی هستند. برای یک سیستم منزوی همواره داریم: p2<p1 زیرا هر سیستم منزوی فقط تابش می کند و توان آن کاهش می یابد.
در طبیعت هیچ سیستم منزوی واقعی وجود ندارد، زیرا خود کیهان دارای تابشی است که تابش زمینه ی کیهان نامیده می شود. این تابش دمایی در حدود 70/2 درجه کلوین حرارت دارد. بنابراین حتی اتمها و مولکولهای پراکنده در کیهان نیز از فضا انرژی دریافت می کنند و به حالت پایه نمی رسند.
مخازن انرژی و ابزارها
سه سیستم A و B و C را در نظر بگیرید که که در آن A و C مخازن انرژی هستند و B ابزار (ماشین) که انرژی را بکار تبدیل می کند. بعنوان مثال فرض کنیم مخزن A انرژی الکتریکی (برق) است که توسط یک سیسم های انتقال وارد کارحانه می شود. و B ماشین آلاتی است که انرژی الکتریکی را بکار تبدیل می کند و C جریان آب (یا هوا) است که ماشینها را خنک می کند و گرم می شود و سپس انرژی آن برای بکار انداختن ماشین دیگری بکار می رود (شکل زیر).
یک سیستم با انرژی بالاتر در یک محیط واقعی
فرض کنیم مخزن A شامل کنتور برق و سیمهای انتقال است تا انرژی را به ماشین برساند. این مخزن یک سیستم واقعی با توان منفی است، زیرا روی خودش کار کار منفی (هرچند ناچیز) انجام می دهد. انرژی E1 وارد ماشین آلات می شود. ماشین آلات نیز یک سیستم واقعی است و روی خودش کار منفی انجام می دهد. بهمین ترتیب مخزن C نیز یک سیستم واقعی است و روی خودش کار منفی انجام می دهد. بهمین دلیل هر کدام از سیستمهای A, B, C که از بیرون تغذیه نشوند، بمرور توانش تحلیل می رود و توانایی انجام هیچ کاری را نخواهد داشت. انرژی تلف شده به محیط (محیط کارخانه) منتقل می شود.
نظریه سی. پی. اچ. و قوانین ترمودینامیک
در اینجا قوانین ترمودینامیک را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می کنیم. در نظریه سی. پی. قوانین ترمودینامیک و انتروپی با توجه به دستاوردهای فیزیک مدرن بطریقی بیان می شود که قانون بعدی مکمل قانون قبلی باشد:
قانون اول ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
قانون اول ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر سیستمی روی خودش کار منفی انجام می دهد که مقدار آن برابر است با تابش ذاتی سیستم. برای ثابت ماندن انرژی درونی یک سیستم باید به سیستم انرژی داده شود، مقدار انرژی لازم برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم برابر است با کار منفی که سیستم روی خودش انجام می دهد. به عبارت دیگر اگر سیستم با توان p روی خودش کار انجام دهد، یعنی با توان P تابش کند، برای ثابت نگاه داشتن انرژی درونی سیستم باید به همین میزان به سیستم انرژی داده شود.
قانون دوم ترمودینامیک (دیدگاه کلاسیک)
ویا: هیچ فرآیندی که تنها نتیجه آن جذب گرما از یک منبع و تبدیل گرما به کار باشد، امکان پذیر نیست. به بیان دیگر می‌توان گفت که امکان ندارد که تنها اثر یک ماشین چرخه‌ای آن باشد که بطور مداوم آزمایشهای مربوط به گرما را از جسمی به جسم دیگر با دمای بالا منتقل کند.
قانون دوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بعبارت دیگر، اگر به یک فرایند که انرژی را بکار تبدیل می کند با با توان p1 انرژی دارده شود، بازدهی فرایند برابر p2 خواهد بود که از رابطه ی زیر به دست می آید:
هر فرایندی که انرژی را به کار تبدیل می کند، دارای توان منفی p است که برابر است با کاری که فرایند روی خودش انجام می دهد که موجب تابش می شود. بنابراین هیچ ماشین آرمانی که بتواند همه ی انرژی دریافتی را بکار تبدیل کند وجود ندارد.
p2=p1-p
از آنجاییکه هر سیستمی با توان p>0 روی خودش کار منفی انجام می دهد، بنابراین همواره P2<p1
حسین جوادی
قانون سوم ترمودینامیک از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
هر سیستمی با توان p روی خودش کار منفی انجام می دهد، طی هیچ فرایند فیزیکی وجو ندارد که بتوان p یک سیستم را صفر کرد.
انتروپی (دیدگاه کلاسیک)
انتروپی پخش شدن خود به خودی انرژی را نشان می دهد: در یک دمای خاص،چه مقدار انرژی در یک فرآیند پخش می شود یا با چه وسعتی پخش می شود. بعبارت دیگر انتروپی (S) کمیتی ترمودینامیکی است که اندازه‌ای برای درجه ی بی‌نظمی در هر سیستم است. هر چه درجه ی بی‌نظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است.
انتروپی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
انتروپی یک سیستم برابر است با کار منفی که سیستم روی خودش انجام می دهد و موجب تابش انرژی با توان p می گردد. هرچه توان سیستم در تابش بیشتر باشد، انتروپی آن نیز بیشتر است. بنابراین اگر انتروپی سیستم را با S نشان دهیم، خواهیم داشت:
S=p
اگر کار منفی یک سیستم روی خودش را که موجب تابش آن سیستم می شود، بعنوان یک اصل بپذیریم که با تجربه کاملاً تطبیق می کند، تمام قوانین ترمودینامیک را می توان با استفاده از آن بسادگی و به وضوح تعریف کنیم.
قابل تغییر است. هرگاه 
