ترمودینامیک آماری از کجا آمد؟
اگر بخواهیم به لحاظ تاریخی نگاه کنیم؛ ترمودینامیک آماری آخرین نسل از یک سری علوم در فیزیک می باشد. اگر بخواهیم از ابتدا شروع کنیم، اول از همه مکانیک کلاسیک (مکانیک نیوتونی) به وجود آمد. پس از آن دانشمدان بعدی به بررسی مجموعه های با تعداد اجزای زیاد پرداختند و در نتیجه آن مطالعات، مکانیک آماری شکل گرفت.
برای درک بهتر، چنین در نظر داشته باشید که در مکانیک کلاسیک اولیه، به بررسی یک آونگ ساده پرداخته می شد؛ حال اگر می خواستیم هزار آونگ را به صورت همزمان بررسی کنیم باید چه می کردیم؟ قطعا بررسی تک تک این آونگ ها و سپس بررسی اثرات آن ها بر یکدیگر امری غیر ممکن و یا فوق العاده سخت بود؛ بخاطر همین مکانیک آماری ایجاد شده و توسعه یافت تا این مشکل را حل کند.
پس از شکل گیری مکانیک آماری، ترمودینامیک کلاسیک ایجاد شد. ترمودینامیک کلاسیک، در حقیقت راهی برای بررسی تعداد فوق العاده زیادی از ذرات بود که در هر لحظه رفتار خاصی داشته و بر هم نیز اثر گذار بودند. برای درک بهتر، چنین در نظر بگیرید که ما با استفاده از ترمودینامیک کلاسیک، می توانیم حجم یک لیتر گاز را در دما و فشار دیگری غیر از شرایطی که در اختیار داریم پیش بینی کنیم.
خود این یک لیتر گاز از چه چیزی ساخته شده است؟ از تعداد زیادی مولکول که در هر لحظه با هم برهمکنش دارند و دائما حرکت می کنند. خب بنابراین، ما با استفاده از مکانیک کلاسیک، رفتار یک مولکول را بررسی می کنیم. سپس با استفاده از مکانیک آماری، رفتار تعداد زیادی از آن ها را بررسی می کنیم و سپس با استفاده از ترمودینامیک، به رفتار جمعی آن ها به عنوان یک سامانه یکپارچه نگاه می کنیم و نتایج بسیار دقیقی را به دست می آوریم.
پس از شکل گیری و توسعه ترمودینامیک، در سال های 1900 و پس از آن، مشاهداتی انجام شد که ترمودینامیک کلاسیک و مکانیک کلاسیک را زیر سوال می برد. بنابراین برای پاسخ به این مشاهدات عجیب، مکانیک کوانتومی ساخته شد و توسعه پیدا کرد. مکانیک کوانتومی، رفتار یک ذره یا یک تابع موج را در شرایطی بسیار خاص و به صورت بسیار دقیق مورد بررسی قرار می دهد.
پس از شکل گیری مکانیک کوانتومی، دانشمندان متعددی سعی کردند تا با استفاده از روش های غیر کوانتومی، نتایجی مشابه را به دست آورند که البته موفقیت هایی هم داشتند. اما در نهایت، همه در برابر مکانیک کوانتومی و مفاهیم عجیبش سر تعظیم فرو آورده و آن را پذیرفتند.
دانشمندان بعدی سعی کردند تا مکانیک کوانتومی را با سایر علوم ترکیب کرده و نتایج جدیدی به دست آروند که یکی از این تلاش ها، ترکیب ترمودینامیک کلاسیک با مکانیک کوانتومی بود. در نتیجه این ترکیب، ترمودینامیک آماری به وجود آمده و بعدا توسط دانشمندان بعدی به شدت توسعه پیدا کرد.
ترمودینامیک و ترمودینامیک آماری، دو روح در یک بدن
اگر دانشجوی شیمی و یا فیزیک باشید، حتما مدتی را با مفاهیم ترمودینامیک گذرانده و طعم معادلات خاص آن را چشیده اید. مفاهیمی مثل انرژی آزاد، آنتالپی، آنتروپی و… همگی مفاهیم ترمودینامیکی اند که هر یک به روش های مختلفی قابل محاسبه بوده و کاربرد های خاص خودشان را دارند.
ما در ترمودینامیک با استفاده از معادلات اساسی و داشتن معادلات حالت و استفاده از معادلات مختلف، همه این پارامتر ها را بررسی و محاسبه می کردیم و از نتیجه این معادلات، درباره امکان وقوع رخداد های مختلف گمانه زنی می کردیم.
مثلا با استفاده از انرژی آزاد گیبس، درباره خود به خودی بودن و یا غیر خود به خودی بودن انجام یک فرآیند صحبت می کردیم و یا با استفاده از مفهوم آنتالپی، درباره گرماده و یا گرماگیر بودن یک فرآیند پیش بینی می کردیم. ما همه این کار ها را با استفاده از خواص ماکروسکوپی سیستم انجام می دادیم.
مثلا از فشار، حجم، دما و… که همگی خواص ماکروسکوپی سیستم ها هستند، برای تعیین پارامتر هایی مثل، کار، انرژی و… بهره می بردیم. اما رویکرد دیگری نیز وجود دارد. ما می توانیم با استفاده از خواص میکروسکوپی سیستم ها (خواص در سطح اتمی و مولکولی) نیز برای تعیین این پارامتر ها استفاده کنیم.
مثلا می توانیم ابتدا با استفاده از مکانیک کوانتومی، انرژی تراز های مختلف یک اتم برانگیخته را حساب کرده و سپس با استفاده از قواعد آماری، انرژی کل سامانه حاوی تعداد بسیار زیادی از ذرات را حساب کنیم. این روندی است که در ترمودینامیک آماری دنبال می کنیم.
ما ابتدا با استفاده از مکانیک کوانتومی، محاسبات بسیار دقیقی بر روی یک حالت خاص انجام می دهیم و سپس با استفاده از یک سری قوانین ویژه، آن را در یک مقیاس بسیار بسیار بزرگتر حساب می کنیم. جالب است بدانید که نتایج حاصل از ترمودینامیک آماری، با نتایج حاصل از ترمودینامیک کلاسیک (ترمودینامیک عادی خودمان :)) نتایج یکسانی به دست می آورند.
در حقیقت ترمودینامیک آماری و ترمودینامیک کلاسیک، هر دو در نهایت به نتایج یکسانی منجر می شوند. تنها تفاوت، روش رسیدن به معادلات نهایی است. ترمودینامیک کلاسیک از ویژگی های ماکروسکوپی سیستم و ترمودینامیک آماری از ویژگی های میکروسکوپی سیستم ها استفاده می کنند؛ اما در نهایت نتایج یکسانی به دست می آورند.
