الفصل الثاني

المادة من الخارج

في بدايات علم الكيمياء الفيزيائية، والتي ربما تعود إلى القرن السابع عشر أو على نحو أوقع خلال القرن التاسع عشر، استكشف ممارسوه — الذين كانوا يفتقرون إلى الأدوات الرائعة التي نمتلكها الآن — المظهر الخارجي للمادة بدلًا من التعمق في دراسة البنية الداخلية المجهولة آنذاك. وثبت أن ذلك الاستكشاف، عند إجرائه من منظور كمي بدلًا من مجرد سرد الطريقة التي تبدو بها الأشياء، مثمر بصورة استثنائية لا سيما في إطار التخصص الذي صار معروفًا باسم «الديناميكا الحرارية».

الديناميكا الحرارية هو علم الطاقة والتحولات التي قد تمر بها. وقد نشأ هذا العلم من ملاحظات عن قدرات المحركات البخارية سجلها المهندسون والفيزيائيون الذين سعوا لاستخراج أكبر قدر من القوة الدافعة من رطل الفحم، أو من رطل الزنك حين اختُرعت الكهرباء. وأظن أنه لم يتصور الرواد الأوائل هؤلاء على الإطلاق أن اكتشافاتهم ستُنقل بفعالية شديدة إلى علم الكيمياء لدرجة أن تلعب الديناميكا الحرارية دورًا محوريًّا في فهم التفاعلات الكيميائية وتصل إلى ما هو أبعد مما توحي به عبارة «تحول الطاقة».

لا تزال الديناميكا الحرارية الكيميائية الحديثة تدور حول الطاقة، غير أنه في خضم التوصل للقوانين التي تحكم الطاقة يبدو أننا أحيانًا نكتشف علاقات غير متوقعة بين الخواص المختلفة للمادة في حجمها الطبيعي. وتكمن فائدة ذلك في أن قياسات إحدى الخواص يمكن استخدامها للتعرف على خواص أخرى ربما لا تكون خاضعة بسهولة للقياس.

توجد حاليًّا أربعة قوانين للديناميكا الحرارية، مرقمة اعتباطيًّا إلى حد ما من الصفر وحتى ثلاثة. يرسي القانون الصفري مفهوم درجة الحرارة، وعلى الرغم من أن لدرجة الحرارة أهمية أساسية عند مناقشة جميع أشكال المادة وخواصها، أرى أن أساسها المفاهيمي والمنطقي لا يعد موضع اهتمام كبير لعالم الكيمياء الفيزيائية العادي ولذا لن نتطرق إليه أكثر من ذلك. (سأتطرق بإيجاز إلى أهمية درجة الحرارة مرة أخرى في الفصل الثالث.) يقدم القانون الأول مبدأ حفظ الطاقة المهم للغاية، أما القانون الثاني فيتناول خاصية الإنتروبي الرائعة على نحو كبير، ويعرض القانون الثالث عدم إمكانية الوصول بالحرارة إلى الصفر المطلق، وهو الأمر الذي يبدو محبطًا. ونظرًا إلى أنه لا يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية عند الصفر المطلق، فربما يبدو القانون الثالث غير مهم كثيرًا بالنسبة إلى علماء الكيمياء الفيزيائية، ولكنه على أرض الواقع يلعب دورًا مهمًّا حيال الطريقة التي يستخدمون بها البيانات ولا يمكنني أن أتجاهله. إننا نجد أغلب العلاقات بين الخواص القابلة للقياس في إطار القانون الثاني، ولذا سأشرح ما يتضمنه ذلك في الوقت المناسب.

«المادة من الخارج» هو عنوان مناسب لفصل مخصص للحديث عن الديناميكا الحرارية، نظرًا إلى أنه في إطار أنقى صورها، وأقصد هنا «الديناميكا الحرارية الكلاسيكية»، لا تعول المناقشات أو الاستنتاجات على أي نموذج للتكوين الداخلي للمادة. وحتى ولو كنت لا تؤمن بوجود الذرات أو الجزيئات، يمكنك أن تكون عالمًا مؤثرًا في تخصص الديناميكا الحرارية (وإن كانت رؤيتك في هذه الحالة ستكون قاصرة). وتشير جميع العلاقات التي جرى التوصل إليها في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية إلى خواص قابلة للرصد للمادة في حجمها الطبيعي ولا تستند إلى خواص الذرات والجزيئات المكونة لها. ومع ذلك، يمكن تكوين نظرة ثاقبة أكبر على أصل هذه الخواص والعلاقات بينها إذا تخلصت من محدودية الرؤية هذه وتعرفت على البنية الذرية للمادة. وهذا هو دور «الديناميكا الحرارية الإحصائية»، التي يبدو اسمها مخيفًا بعض الشيء، والتي سأقدم لها في الفصل الثالث.

سأركز خلال هذا الفصل على تطبيقات الديناميكا الحرارية في نطاق علم الكيمياء الفيزيائية. ومن نافلة القول أن الديناميكا الحرارية قابلة للتطبيق أيضًا على نطاق واسع في الهندسة والفيزياء، حيث كانت نشأتها الأولى. وهو أيضًا موضوع رياضي إلى حد كبير، خاصة عندما يتعلق الأمر بصياغة علاقات بين الخواص (بل حتى تعريف تلك الخواص)، إلا أنني سأبذل قصارى جهدي لعرض محتواه دون التطرق إلى التفاصيل الرياضية الدقيقة.

القانون الأول

من منظور علماء الكيمياء الفيزيائية، يُعد القانون الأول إسهابًا على ما جاء في «قانون حفظ الطاقة» الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث من العدم. فهو يوضح أن الديناميكا الحرارية تشمل انتقال الطاقة على هيئة حرارة، في حين أن ديناميكا نيوتن وتلامذته لا تشمل ذلك. ويُعد المفهوم المحوري للقانون الأول هو «الطاقة الداخلية»، والتي يرمز لها ﺑ ، ويقصد بها الطاقة الإجمالية المنبعثة من أية منطقة في العالم تخضع للدراسة من جانبنا، أي، «النظام»؛ ولكن ذلك لا يتضمن الطاقة المنبعثة نتيجة لمسببات خارجية، مثل حركة النظام بأكمله عبر الحيز المكاني. وقد أثبتت التجارب التفصيلية التي أجراها جيمس جول (١٨١٨–١٨٨٩) في منتصف القرن التاسع عشر أن الطاقة الداخلية لنظام ما قد تتغير من خلال بذل شغل أو تسخين النظام. وينطوي الشغل، وهو مفهوم مأخوذ من الديناميكا، على التحرك ضد قوة معاكسة، أما الحرارة، وهو مفهوم جديد في الديناميكا الحرارية، فهي عبارة عن انتقال الطاقة التي تستغل الاختلاف في درجة الحرارة. إن فشل عدد لا يُحصى من المحاولات — حسنة النية عادةً ولكنها مدفوعة بالجشع والنصب والاحتيال كذلك — لابتكار آلة الحركة الأبدية — وهي عبارة عن آلة يمكنها إنتاج شغل بدون أي مدخلات للطاقة (كالحرارة) — أدى في النهاية إلى استنتاج مفاده أن «الطاقة الداخلية لنظام معزول عن التأثيرات الخارجية لا تتغير». وهذا هو القانون الأول للديناميكا الحرارية.
ويتعين عليَّ هنا أن أدلي بملاحظة. لأي نظام طاقة، ولكن ليس بالضرورة أن يكون له شغل أو حرارة (حتى وإن كان ساخنًا). ويُعد الشغل والحرارة شكلين مختلفين من «انتقال» الطاقة داخل النظام أو خارجه. والشغل هو شكل من أشكال انتقال الطاقة يعادله رفع الأثقال، أما الحرارة، فهي شكل من أشكال انتقال الطاقة ينتج عن الاختلاف في درجة الحرارة (انظر شكل ٢-١). وعندما نقول إن «النظام ساخن»، لا نعني بذلك أنه يملك الكثير من الحرارة؛ وإنما يحظى بدرجة حرارة عالية بسبب الطاقة التي يختزنها حاليًّا.
fig5
شكل ٢-١: الشغل هو شكل من أشكال انتقال الطاقة يضاهيه رفع الأثقال، أما الحرارة فهي شكل من أشكال انتقال الطاقة ينتج عن الاختلاف في درجة الحرارة. ويزيد هذان الشكلان الطاقة الداخلية للنظام أو يقللانها.
لأسباب عملية، في العديد من الحالات يولي علماء الكيمياء الفيزيائية اهتمامًا أقل بالطاقة الداخلية مقارنة بخاصية وثيقة الصلة تُسمى الإنثالبي (المحتوى الحراري)، ويرمز له ﺑ . والمقابل الإنجليزي لهذا المصطلح enthalpy مشتق من العبارة اليونانية التي تعني «الحرارة بالداخل»، وعلى الرغم من عدم وجود «حرارة» كهذه داخل أي نظام، فالاسم المستخدم صائب تمامًا، وسأشرح السبب بعد قليل. ولكي تكتمل الفكرة وعلى الرغم من عدم أهمية ذلك لطرحنا النظري هنا، إذا عرفت الطاقة الداخلية لنظام ما، يمكنك ببساطة أن تحسب الإنثالبي الخاص به من خلال جمع حاصل ضرب ضغط النظام في حجمه والطاقة الداخلية ( ). والنقطة المهمة هنا تكمن في أن أهمية الإنثالبي تتمثل في أن التغير في قيمته مكافئ لخرج الطاقة على هيئة حرارة الذي يمكن استخلاصه من النظام شريطة أن يظل تحت ضغط ثابت. فعلى سبيل المثال، إذا تراجع الإنثالبي الخاص بالنظام بمقدار ١٠٠ جول عندما يخضع لتغير معين (مثل تفاعل كيميائي)، إذن فنحن نعرف أنه يمكن استخلاص ١٠٠ جول من الطاقة على هيئة حرارة، بشرط أن يكون الضغط ثابتًا.

وتكمن العلاقة بين التغيرات في الإنثالبي والخرج الحراري في صميم الكيمياء الفيزيائية، أو هي بالأحرى جوهر الديناميكا الحرارية الكيميائية، المعروفة باسم «الكيمياء الحرارية»، والتي تدرس عمليات الانتقال الحراري المصاحبة للتفاعلات الكيميائية. وهذا الجانب من الكيمياء ذو أهمية حيوية أينما تُستخدم أنواع الوقود، حيث لا تشمل أنواع الوقود بنزين محركات الاحتراق الداخلي فحسب، وإنما أيضًا الأطعمة التي تمد الكائنات الحية بالطاقة. وفي هذا الاستخدام الأخير، فإن دور استخدام الطاقة في الكائنات الحية يدرسه علم «الطاقة الحيوية»، وهو قسم فرعي للكيمياء الحرارية يركز على العمليات الكيميائية الحيوية.

والأداة الرئيسية التي يستخدمها علماء الكيمياء الحرارية هو «المُسعِّر الحراري»، وهو بالأساس عبارة عن وعاء مزود بترمومتر؛ إلا أنه طُور إلى حد كبير، مثل الكثير من الأجهزة العلمية، ليصبح أداة متقدمة عالية الدقة خاضعة للتحكم والتحليل من قِبل جهاز كمبيوتر. وبشكل عام، يُسمح بحدوث التفاعل الكيميائي المعني بالدراسة في الوعاء ويُسجل الارتفاع الناتج في درجة الحرارة. ويحول هذا الارتفاع (أو الانخفاض في بعض الحالات النادرة) في درجة الحرارة بعد ذلك إلى خرج حراري من خلال مقارنته بتفاعل معروف مسبقًا أو التأثير الخاص بالتسخين الكهربائي. وإذا كان المُسعِّر الحراري معرضًا للأجواء المحيطة (وبالتالي مُعرضًا لضغط ثابت)، حينئذٍ يكون الخرج الحراري مكافئًا للتغير في الإنثالبي الخاص بمزيج التفاعل. وحتى وإن كان وعاء التفاعل محكم الإغلاق ومحتوياته خاضعة للتغير في الضغط، لدى الكيميائيين وسائل لتحويل البيانات إلى ظروف ذات ضغط ثابت، ويمكنهم استنباط التغير في الإنثالبي من التغير الملاحظ في درجة الحرارة.

واعتمادًا على القانون الأول للديناميكا الحرارية، يدرك علماء الكيمياء الحرارية بشيء من الارتياح أنهم ليسوا مضطرين إلى إخضاع كل تفاعل مُتخيل إلى الدراسة والفحص. وربما يُنظر إلى التفاعل الكيميائي محل الاهتمام بأنه يحدث عبر سلسلة من الخطوات التي خضعت بالفعل للدراسة. ووفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، يجب أن يكون التغير في الإنثالبي باستخدام المسار المباشر مساويًا لمجموع التغيرات في الإنثالبي باستخدام المسار غير المباشر (مثلما يتعين على مسارين أعلى جبل واقعين بين نفس النقطتين أن يؤديا إلى التغير نفسه في الارتفاع عن سطح البحر)؛ وإلا فستكون لديك نظريًّا طريقة لاستحداث الطاقة: البدء بمركب ما؛ ثم تغييره؛ وبعد ذلك إعادته إلى المركب الأصلي مرة أخرى من خلال مسار مختلف، واستخلاص الفارق في الطاقة. ومن ثَم، يمكنهم جدولة البيانات التي يمكن استخدامها لتوقع التغييرات الطارئة على الإنثالبي في أي تفاعل كيميائي محل اهتمام بالنسبة إليهم. على سبيل المثال، إذا كان تغيُّرا الإنثالبي للتفاعلين A → B وB → C معروفين، فإن التغير الخاص بالتفاعل A → C هو عبارة عن مجموعهما. (ولا يقيد علماء الكيمياء الفيزيائية أنفسهم بتفاعلات محددة؛ وهو ما يعرضهم للسخرية اللطيفة من جانب علماء الكيمياء العضوية والكيمياء غير العضوية. ويجادلون بأنه من أجل الحفاظ على مبدأ التعميم يستخدمون الرموز و و ؛ وهو ما يجعل زملاءهم المتشككين عادة ما يرتابون بسخرية في أن مثل هذا التعميم يخفي وراءه في الحقيقة جهلًا.)
وفي الأيام الأولى للكيمياء الفيزيائية (وأقصد هنا القرن العشرين)، كانت تغيرات الإنثالبي تُقدر عادة من خلال ملاحظة أي من هذه الروابط تُكسر في المواد المتفاعلة وأي منها تتكون لصنع النواتج، وبالتالي ربما تكون A → B خطوة كسر الرابطة وB → C خطوة تكوين الرابطة الجديدة، والتي يُحسب تغيرات الإنثالبي الخاصة بكل منهما بمعلومية قوة الروابط القديمة والجديدة. وكثيرًا ما كان يعطي هذا الإجراء، رغم أنه إجراء مفيد بوجه عام، نتائج غير دقيقة على نحو كبير، لأن الروابط كيانات حساسة ذات قوًى تعتمد على ماهية الذرات الأخرى الموجودة في الجزيئات ومواضعها. والآن، تلعب الحوسبة دورًا مركزيًّا: صار الآن شيئًا عاديًّا أن يُحسب الفارق في الطاقة بين النواتج والمواد المتفاعلة؛ لا سيما إذا كانت الجزيئات معزولة كما في الحالة الغازية، وهذا الفارق يتحول بسهولة إلى تغير في الإنثالبي. إلا أن الحوسبة أقل موثوقية فيما يخص التفاعلات الكيميائية الخاصة بالسوائل أو المحاليل ولا يزال هناك شوطًا لنقطعه على طريق التقدم في هذا الصدد.

هذا، وتُعد التغيرات في الإنثالبي مهمة جدًّا من أجل إجراء مناقشة منطقية للتغيرات الطارئة على الحالة الفيزيائية (التبخر والتجمد على سبيل المثال) وسأعود إليها في الفصل الخامس. وهي أساسية أيضًا للتطبيقات الخاصة بالقانون الثاني للديناميكا الحيوية.

القانون الثاني

يُعد القانون الثاني للديناميكا الحرارية قانونًا أساسيًّا تمامًا لتطبيق الديناميكا الحرارية في مجال الكيمياء، والذي عادةً ما يتخذ شكلًا متخفيًا، ولكن دائمًا ما يكون قابعًا وراء النقاشات الدائرة حول التفاعلات الكيميائية وتطبيقاتها في علم الأحياء والتكنولوجيا على حد سواء.

يعين القانون الأول حدود التغيرات المحتملة (فهي يجب أن تحافظ على إجمالي كمية الطاقة، ولكن تتيح لها الانتقال من مكان إلى آخر أو التحول إلى حرارة أو شغل). ومن بين تلك التغيرات المحتملة يحدد القانون الثاني التغيرات التي قد تحدث بشكل تلقائي. والمعنى الاعتيادي ﻟ «التلقائية» هو أنها تحدث «بدون وساطة خارجية»؛ وهذا يعني في الكيمياء الفيزيائية، بدون الاضطرار إلى بذل «شغل» لإحداث التغير. وهذا لا يعني السرعة، كما تعني الكلمة ضمنًا أحيانًا في إطار الكلام العادي. قد تكون التغيرات التلقائية بطيئة جدًّا: فالاسم يشير ببساطة إلى أن بها «نزعة» لأن تحدث بدون تدخل. ومن منطلق هذا المعنى، يُعد تحول الألماس إلى جرافيت أمرًا تلقائيًّا؛ إلا أنه يحدث ببطء شديد لدرجة أنه يمكن التغاضي عن التغير من الناحية العملية. فتمدد الغاز في فراغ هو عملية تلقائية وسريعة على حد سواء. أما انضغاطه إلى حجم أصغر فهو عملية غير تلقائية: يجب علينا أن نبذل شغلًا ونضغط على مكبس ما لإحداث هذا التغير. باختصار، يحدد القانون الأول التغيرات المحتملة؛ ويحدد القانون الثاني أي هذه التغيرات المحتملة هي تغيرات تلقائية.

يحدد القانون الثاني التغيرات التلقائية باعتبارها تغيرات تصاحبها زيادة في الإنتروبي. والإنتروبي، الذي يُرمز له ﺑ ، هو مقياس لجودة الطاقة: فالإنتروبي القليل يعني مستوًى عاليًا من الجودة بمعنًى سأشرحه؛ أما الإنتروبي العالي، فيعني مستوًى متدنيًا من الجودة. والمقابل الإنجليزي لمصطلح إنتروبي entropy مشتق من العبارة اليونانية التي تعني «التحول إلى الداخل»، وتعطي انطباعًا بالتغيرات التي تحدث داخل نظام ما. ومن ثَم، فإن الزيادة في الإنتروبي توازي الانخفاض في جودة الطاقة، فهي مثلًا تتبدد على نطاق أوسع وتقل فائدتها في بذل الشغل.
والإنتروبي مرتبط عادةً بقياس الفوضى أو الاضطراب، مثل تبدد الطاقة أو انتشار غاز ما (انظر شكل ٢-٢). وهذا تفسير مفيد جدًّا يجب وضعه في الاعتبار. كان أول من اقترح التعبير الكمي لحساب القيمة العددية للتغير في الإنتروبي هو الفيزيائي الألماني رودولف كلاوزيوس (١٨٢٢-١٨٨٨) في عام ١٨٥٤: تقتضي صيغته أنه من أجل حساب التغير في الإنتروبي يجب علينا أن نلاحظ بدقة الطاقة التي تنتقل كحرارة أثناء التغير ونقسمها على درجة الحرارة المطلقة التي يحدث عندها التغير. وبالتالي، إذا أُدخل ١٠٠ جول من الحرارة إلى دورق من الماء عند درجة حرارة ٢٠ درجة مئوية (٢٩٣ كلفن)، يزداد إنتروبي الماء بمقدار ٠٫٣٤ جول لكل كلفن. وقد طُور نهج مختلف جدًّا ولكنه تكميليٌّ وثاقب بصورة بالغة على يد لودفيج بولتزمان، والذي سأستعرضه في الفصل الثالث.
fig6
شكل ٢-٢: الإنتروبي هو مقياس ﻟ «الاضطراب». ومن ثَم، فهي تزداد (أ) عندما ينتشر غاز ما، و(ب) عندما تنصهر مادة صلبة، و(ج) عندما تختلط مادتان.

لقد استعان علماء الكيمياء الفيزيائية بصيغة كلاوزيوس لتجميع جداول قيم الإنتروبي الخاصة بمجموعة كبيرة من المواد (حيث استعانوا أيضًا بالقانون الثالث للديناميكا الحرارية، الذي سأشرحه بعد قليل)، والتي يمكن الاستعانة بها لتقييم التغير في الإنتروبي عندما تتغير المواد المتفاعلة ذات إنتروبي معين إلى نواتج ذات إنتروبي مختلف. وهذه معلومة ضرورية لتقرير ما إذا كان التفاعل تلقائيًّا عند أية درجة حرارة معينة (تذكر أنه ليس بالضرورة سريعًا وإنما تلقائيًّا فحسب). وهذا مثال آخر للأهمية القصوى لاعتماد الكيميائيين على إنجازات الفيزيائيين، الفيزيائي كلاوزيوس في هذه الحالة، لفهم السبب وراء «حدوث» تفاعل كيميائي ما دون الآخر، وهذا أمر أساسي لعلم الكيمياء ويقع في نطاق تخصص الكيمياء الفيزيائية، الذي يعد حلقة الوصل بين الفيزياء والكيمياء.

الطاقة الحرة

ثمة شرَك هنا. ففي جميع المراجع الخاصة بالديناميكا الحرارية الكيميائية، يجري التأكيد على أنه من أجل استخدام القانون الثاني، من الضروري الوضع في الاعتبار إجمالي التغير في الإنتروبي، أي، مجموع التغيرات داخل النظام (مزيج التفاعل) ووسطه المحيط. يمكن استنتاج الأولى من جداول قيم الإنتروبي التي جرى تجميعها، ولكن كيف تُحسب الثانية؟

هذا هو الموضع الذي يعود فيه الإنثالبي ليلعب دورًا. فإذا كنا نعرف التغير في الإنثالبي الحادث أثناء تفاعل ما، فعندئذٍ سنعرف مقدار الطاقة المنبعثة على هيئة حرارة إلى الوسط المحيط، هذا بشرط أن تتم العملية تحت ضغط ثابت. وإذا قسمنا انتقال حرارة هذا على درجة الحرارة، فسنحصل على التغير في الإنتروبي في الوسط المحيط. وبالتالي، إذا تراجع الإنثالبي الخاص بنظام ما بمقدار ١٠٠ جول أثناء تفاعل يحدث عند درجة حرارة ٢٥ درجة مئوية (٢٩٨ كلفن)، فإن المائة جول هذه تترك النظام على هيئة حرارة وتدخل إلى الوسط المحيط وبالتالي يزيد الإنتروبي الخاص بها بمقدار ٠٫٣٤ جول لكل كلفن. كل ما علينا أن نفعله هو أن نجمع تغيُّري الإنتروبي، ذلك الخاص بالنظام والآخر الخاص بالوسط المحيط، معًا، ونحدد ما إذا كان إجمالي التغير موجبًا (التفاعل تلقائي) أم سالبًا (التفاعل غير تلقائي).

لقد وجد علماء الكيمياء الفيزيائية طريقة ذكية لتحديد الجزئية المزعجة من عملية الحساب هذه والمتمثلة في تقييم التغير في الإنتروبي الخاصة بالوسط المحيط. في واقع الأمر، وإحقاقًا للحق، يعود الفضل إلى عالم فيزياء نظرية آخر ألا وهو الأمريكي جوسايا جيبس (١٨٣٩–١٩٠٣) الذي سلط الضوء على الديناميكا الحرارية في سبعينيات القرن التاسع عشر حيث أمكن اعتبارها أحد جوانب الكيمياء الفيزيائية، وأسس بفعالية لهذا الفرع من المجال. مرة أخرى، نرى أن الفيزياء توفر نقطة انطلاق لإحراز التقدم في الكيمياء الفيزيائية.

لاحظ جيبس أن التغيرين في الإنتروبي، الخاص بالنظام والخاص بالوسط المحيط، يمكن حسابهما من خلال التركيز فقط على تغيرات ما نطلق عليه الآن «طاقة جيبس»، ويرمز لها ﺑ ، الخاصة بالنظام وظاهريًّا تجاهل الوسط المحيط تمامًا، بشرط أن يكون الضغط ودرجة الحرارة ثابتين. تذكر كيف يُحسب الإنثالبي من خلال جمع حاصل ضرب ضغط النظام في حجمه والطاقة الداخلية ( )؛ وعلى نحو مماثل تُحسب طاقة جيبس لنظام ما من خلال طرح حاصل ضرب درجة الحرارة والإنتروبي من الإنثالبي: . على سبيل المثال، إنتروبي ١٠٠ مليلتر من الماء عند درجة حرارة ٢٠ درجة مئوية (٢٩٣ كلفن) هو ٠٫٣٨٨ كيلو جول لكل كلفن، وبالتالي طاقة جيبس الخاصة بها هي أقل بنحو ١١٤ كيلو جول من الإنثالبي الخاص بها، أيًّا ما كان.
غير أن الأرقام الفعلية لا تخدم أغراضنا هنا بصفة خاصة؛ وإنما الذي يهمنا أكثر هو وجود علامة الناقص في المعادلة: . عندما تُحلل هذه المعادلة، يتضح أن التغير التلقائي يكافئه «انخفاض» في طاقة جيبس، بشرط أن يكون الضغط ودرجة الحرارة ثابتين. وهذا يجعل طاقة جيبس الخاصة بالنظام وحدها مؤشرًا على التغير التلقائي: كل ما نحتاج إليه هو تجميع جداول قيم طاقة جيبس لقيم الإنثالبي والإنتروبي، ومعرفة الطريقة التي تتغير بها طاقة جيبس في التفاعل، وملاحظة ما إذا كان التغير سالبًا. فإذا كان سالبًا، فيكون التفاعل تلقائيًّا (انظر شكل ٢-٣).
fig7
شكل ٢-٣: يكون التفاعل تلقائيًّا عندما تتجه طاقة جيبس نحو الانخفاض. وعندما تكون طاقة جيبس في أدنى مستوياتها، يكون التفاعل في حالة اتزان مع غياب النزعة للتغير نحو أي من الاتجاهين.

ويتعين عليَّ هنا أن أدلي بملاحظة أخرى. فعلى الرغم من أنه يبدو أن من البديهي أكثر اعتبار عمليةٍ ما طبيعيةً إذا كانت تتضمن «انخفاضًا» في خاصية ما، في هذه الحالة طاقة جيبس، فيجب أن نتذكر أن طاقة جيبس هي نسخة متخفية من الإنتروبي الإجمالي. ويكون الاتجاه التلقائي للتغير إلى «أعلى» على نحو ثابت بالنسبة إلى الإنتروبي الإجمالي. أوضح جيبس للكيميائيين أنهم، في مقابل التخلي عن التعميم والتعامل فقط مع التغيرات عند درجة حرارة وضغط ثابتين، يستطيعون التعامل مع خاصية واحدة للنظام، ألا وهي طاقة جيبس، وببساطة وبحكم تعريفها، مع وجود علامة الناقص، يعني «الانخفاض» في طاقة جيبس «الارتفاع» في الإنتروبي الإجمالي.

ثمة جانب مهم جدًّا خاص بالتلقائية يجب عليَّ أن أطرحه الآن. يولي الكيميائيون اهتمامًا بالغًا بالتركيب الذي يختفي عندها ميل أي تفاعل كيميائي نحو التغير: وهذا ما يُعرف ﺑ «حالة الاتزان الكيميائي». ولا يكون التفاعل الأمامي أو العكسي تلقائيًّا عندما يصل المزيج إلى حالة الاتزان. بعبارة أخرى، عند التركيب المكافئ لحالة الاتزان، لا يوازي أي تغير في البنية، سواء أتمثل هذا التغير في تكوين المزيد من النواتج أم تحللها، انخفاضًا في طاقة جيبس: لقد وصلت طاقة جيبس إلى أدنى مستوى، مع الوضع في الاعتبار أن التغير في أي من الاتجاهين يوازي زيادة في طاقة جيبس. وكل ما يجب على علماء الكيمياء الفيزيائية القيام به من أجل توقع التركيب في حالة الاتزان هو تحديد التركيب الذي تصل عنده طاقة جيبس إلى أدنى مستوى. وثمة طرق مباشرة لإجراء تلك العملية الحسابية، ويمكن حساب تركيب حالة الاتزان لأي تفاعل تقريبًا عند أية درجة حرارة بشرط أن تتوفر البيانات الخاصة بطاقة جيبس.

والقدرة على توقع تركيب حالة الاتزان الخاصة بأي تفاعل وإلى أي مدى يعتمد على الظروف لهي أمر ذو أهمية بالغة في مجال الصناعة، نظرًا إلى أنه لا جدوى من بناء مصنع كيميائي إذا كان عائد النواتج لا يُذكر، وتعول الاعتبارات الاقتصادية على توفير ظروف درجة الحرارة والضغط التي قد تؤدي إلى تحسين العوائد.

أخيرًا، يتعين عليَّ شرح مصطلح «الطاقة الحرة» الذي اتخذت منه عنوانًا لهذا القسم وبهذا أفتح بابًا آخر مهمًّا أمام التطبيقات البيولوجية والتكنولوجية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

ثمة نوعان من الشغل. النوع الأول هو الشغل المبذول أثناء التمدد الذي يحدث عندما يولد التفاعل غازًا ويقاوم الضغط الجوي (ربما من خلال الضغط على مكبس). يُسمى هذا النوع «الشغل التمددي». ولكن ربما يبذل التفاعل شغلًا آخر غير ذلك المبذول من خلال الضغط على مكبس أو مقاومة الضغط الجوي. فعلى سبيل المثال، ربما يبذل شغلًا من خلال دفع الإلكترونات عبر دائرة كهربائية متصلة بمحرك. وهذا النوع من الشغل يُطلق عليه «الشغل اللاتمددي». والآن نأتي إلى النقطة المهمة هنا: التغير في طاقة جيبس الخاصة بنظام ما عند درجة حرارة وضغط ثابتين يعادل الحد الأقصى للشغل اللاتمددي الذي يمكن بذله من جانب التفاعل. ومن ثَم، تفاعل تقل فيه طاقة جيبس بمقدار ١٠٠ جول يمكن أن يبذل شغلًا لا تمدديًّا حتى ١٠٠ جول. وهذا الشغل اللاتمددي ربما يكون الشغل الكهربائي الخاص بدفع الإلكترونات عبر دائرة خارجية. وهكذا، نصل إلى حلقة وصل مهمة بين الديناميكا الحرارية و«الكيمياء الكهربائية»، التي تشمل توليد الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية وعلى وجه التحديد آلية عمل البطاريات الكهربائية وخلايا الوقود (انظر الفصل الخامس).

وثمة حلقة وصل أخرى مهمة تكشفها هذه العلاقة: فالصلة التي تربط الديناميكا الحرارية وعلم الأحياء هي أن التفاعل الكيميائي ربما يبذل الشغل اللاتمددي الخاص ببناء أحد البروتينات من الأحماض الأمينية. لذا، فإن معرفة التغيرات في طاقة جيبس المصاحبة لعمليات الأيض مهمة جدًّا في علم الطاقة الحيوية، وأهم بكثير من معرفة التغيرات في الإنثالبي وحدها (التي تشير فقط إلى قدرة التفاعل على شعورنا بالدفء). وتُعد هذه الصلة إسهامًا كبيرًا تقدمه الكيمياء الفيزيائية إلى مجال الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء بوجه عام.

القانون الثالث

لقد راوغتك قليلًا، ولكن هذا فقط من أجل التناول السريع للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ذي الأهمية البالغة. ما تجاهلته هو قياس الإنتروبي. ذكرت أن التغيرات في الإنتروبي تُقاس من خلال مراقبة الحرارة المضافة إلى عينة ما وملاحظة درجة الحرارة. ولكن هذا يعطينا فقط قيمة «التغير» في الإنتروبي. ما الذي نحصل عليه بالنسبة إلى القيمة الأولية؟

هنا يلعب القانون الثالث دورًا. وكما هي الحال مع القانونين الآخرين، هناك طرق يمكن التعبير بها عن القانون الثالث إما من خلال الملاحظات المباشرة وإما من خواص الديناميكا الحرارية التي ذكرتها، مثل الطاقة الداخلة أو الإنتروبي. ويندرج التعريف التالي للقانون الثالث تحت النوع الأول؛ إذ ينص على أنه «لا يمكن الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلق في عدد متناهٍ من الخطوات». ولتلك الصيغة للقانون أهمية بالغة في علم التبريد الشديد، أي، الوصول إلى درجات حرارة منخفضة جدًّا، ولكنها ليست ذات صلة مباشرة كبيرة بالكيمياء الفيزيائية. أما الصيغة التي لها صلة مباشرة بالكيمياء الفيزيائية فتحمل المنطق نفسه (ويمكن البرهنة عليها)، ولكنها مختلفة تمامًا ظاهريًّا، وهي كالتالي: «يتماثل الإنتروبي الخاص بجميع البلورات المثالية عند درجة حرارة الصفر المطلق». وبغرض تسهيل الفكرة (ولأسباب مبينة باستفاضة في الفصل الثالث)، تُقدر القيمة المشتركة هذه بالصفر.

الآن، نحن لدينا نقطة انطلاق لقياس قيم الإنتروبي المطلقة (أو قيم إنتروبي «القانون الثالث»). نقلل درجة الحرارة الخاصة بمادة ما إلى أقرب ما يمكن إلى الصفر المطلق، ثم نقيس الحرارة المتوفرة عند تلك الدرجة. ثم نرفع درجة الحرارة قليلًا، ونفعل الشيء نفسه. تستمر تلك السلسلة من الخطوات حتى نصل إلى درجة الحرارة التي عندها نرغب في تسجيل الإنتروبي، الذي هو ببساطة عبارة عن مجموع كل هذه القيم الناتجة عن «قسمة الحرارة على درجة الحرارة». توفر هذه العملية التغير في الإنتروبي ما بين درجة الحرارة الصفرية ودرجة الحرارة المعنية، لكن يكون الإنتروبي عند الأولى صفرًا، بمقتضى القانون الثالث، لذا يعطينا التغير القيمة المطلقة الخاصة بالإنتروبي أيضًا.

ومن ثَم، يلعب القانون الثالث دورًا مهمًّا في الكيمياء الفيزيائية من خلال السماح لنا بتجميع جداول قيم الإنتروبي المطلقة واستخدام تلك القيم لحساب قيم طاقة جيبس. إنه جزء مهم من تركيبة الديناميكا الحرارية الكيميائية، بيد أنه تفصيلة تقنية أكثر من كونه إسهامًا يقدم نظرة متبصرة. أم إن هذا غير صحيح؟ أيمكن للقانون الثالث أن يقدم نظرة متبصرة؟ سنرى في الفصل الثالث كيف يمكن تفسيره.

العلاقات بين الخواص

قلت في بداية هذا الفصل إن الديناميكا الحرارية الكيميائية توفر العلاقات، التي أحيانًا تكون غير متوقعة، بين خواص المواد، وغالبًا ما تكون تلك الخواص غير ذات صلة من الناحية الظاهرية بالاعتبارات الخاصة بتحولات الطاقة. ومن ثَم، ربما تُربط قياسات خواص متعددة معًا باستخدام إرشادات الديناميكا الحرارية للتوصل إلى قيمة خاصية ربما يصعب تحديدها مباشرة.

يصعب عليَّ عرض هذا القسم ليس فقط لأنني أريد أن أتجنب الرياضيات ولكن أيضًا لأنك على الأرجح لن تجد الكثير من العلاقات مثيرة للاهتمام ولن تتأثر بمعرفة أنه ثمة طرق بارعة لقياس خواص تبدو مبهمة! وأفضل طريقة يمكنني أن أجدها لتوضيح نوعية العلاقات المتضمنة هنا هي تلك العلاقة بين أنواع مختلفة من إحدى الخواص المألوفة نوعًا ما، ألا وهي السعة الحرارية (التي تُشار إليها على نحو شائع ﺑ «الحرارة النوعية»).

دعنا نحدد أبعاد الأمر. تُعرف السعة الحرارية، ويرمز لها ﺑ ، بأنها نسبة الحرارة المزودة إلى مادة ما إلى الارتفاع في درجة الحرارة الناتج عنها. على سبيل المثال، إذا أُمد ١٠٠ مليلتر من الماء ﺑ ١٠٠ جول من الطاقة على هيئة حرارة، ترتفع درجة حرارة الماء بمقدار ٠٫٢٤ درجة مئوية، ومن ثَم تكون سعته الحرارية ٤٢٠ جول لكل درجة. ولكن عندما يتقمص علماء الكيمياء الفيزيائية دور المحاسبين المدققين، يتريثون ليفكروا. هل تمدد الماء؟ وإذا حدث ذلك، لا تبقى كل الطاقة المزودة على هيئة حرارة في العينة لأن بعضًا منها استُخدم لمقاومة الضغط الجوي. من ناحية أخرى، لنفترض أن الماء ملأ وعاءً جامدًا مغلقًا وزُود بنفس القدر من الطاقة على هيئة حرارة أيضًا. هنا، لا يحدث تمدد، ولا يُبذل شغل، وتبقى كل هذه الطاقة بداخل الماء. وفي هذه الحالة، ترتفع درجة حرارته أكثر من الحالة الأولى، لذا تكون السعة الحرارية أصغر (كمية الحرارة الداخلة واحدة في الحالتين، إلا أن ارتفاع درجة الحرارة أكبر، وبالتالي تكون النسبة بينهما أقل). بعبارة أخرى، عند إجراء الحسابات الدقيقة (وتذكر أن الديناميكا الحرارية كلها مرتبطة بالتأني والدقة)، علينا أن نقرر ما إذا كنا نتعامل مع السعة الحرارية عند ضغط ثابت (حين يُسمح بالتمدد) أم عند حجم ثابت (حين لا يُسمح بالتمدد). فالسعتان الحراريتان، اللتان يرمز إليهما على التوالي ﺑ و ، مختلفتان.
ما تمكنَّا الديناميكا الحرارية، ولا سيما الجمع بين القانونين الأول والثاني، من القيام به هو تحديد العلاقة بين و . لن أذكر العلاقة النهائية، التي تتضمن قابلية الانضغاط (كيف يتغير الحجم مع الضغط)، وقابلية التمدد (كيف يتغير الحجم مع درجة الحرارة)؛ إلا أنني أريد أن أذكر أنه من خلال الاستعانة بهاتين الخاصيتين، اللتين يمكن قياسهما في تجارب منفصلة، يمكن الربط بين و . ولكن ثمة حالة خاصة لهذه العلاقة حريٌّ بنا أن نستعرضها. فبالنسبة إلى الغاز المثالي (وهو مفهوم سأعرضه في الفصل الرابع، إلا أنه بالأساس الغاز الذي يمكن فيه تجاهل جميع التفاعلات الكيميائية بين الجزيئات، بحيث يمكنها أن تتحرك بكل حرية)، فالعلاقة بين السعتين الحراريتين هي: ، حيث هو إجمالي عدد الجزيئات في العينة و هو الثابت الأساسي المعروف باسم ثابت بولتزمان (مرة أخرى، انظر الفصل الثالث). ونظرًا إلى أن موجب، يمكننا استنتاج أن أكبر من ، تمامًا مثلما يوحي نقاشنا.

قد يبدو هذا المثال تافهًا وغير مثير للاهتمام بشكل خاص (كما حذرت من قبل). ومع ذلك، فهو يكشف أن علماء الكيمياء الفيزيائية يمكنهم الاستعانة بقوانين الديناميكا الحرارية، تلك القوانين التي لها صلة بالمادة من الخارج، لتحديد العلاقات بين الخواص وإيجاد صلات مهمة تربط بينها.

التحدي الراهن

طُورت الديناميكا الحرارية من أجل دراسة المادة بحجمها الطبيعي. يتحوَّل الاهتمام الآن إلى أشكال خاصة من المادة مثل الأنظمة النانوية الصغيرة جدًّا وإلى الأنظمة البيولوجية بوظائفها وبنياتها الخاصة. وأحد فروع الديناميكا الحرارية التي لم يُحرز فيها تقدم كبير منذ وضعها هي «الديناميكا الحرارية غير القابلة للانعكاس»؛ حيث ينصب التركيز على معدل تبدد الطاقة ويُولد الإنتروبي من خلال أنظمة ليست في حالة اتزان: ربما يكون القانون الخامس مترصدًا في الخفاء الآن في انتظار من يكتشفه.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٤