الديناميكا الحرارية
الديناميكا الحرارية أو الثرمو ديناميكا تعبر عن أحد فروع الفيزياء الذي يدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة وتحولاته إلى أوجه أخرى من الطاقة. يقوم هذا العلم باستخدام الميكانيكا الإحصائية لصياغة القوانين التي تحكم تحول الطاقة من وجه إلى آخر، والاتجاه الذي تفضله الطاقة الحرارية في انتقالها، والطاقة المتاح تحويلها إلى عملٍ أو شغلٍ.
مقدمة
عدلاستعمل الإنسان حواسه للتميز بين الأجسام الحارة والأجسام الباردة. وابتدع طرقًا لتسخين الأجسام وكذلك لتبريدها. بل أنه استعمل الحرارة لغايات عملية كالتدفئة والآلة البخارية. الديناميكا الحرارية هي فرع الفيزياء المعني بدراسة خصائص المادة الماكروسكوبية تحت تأثير الحرارة دون النظر إلى خصائصها الميكروسكوبية. وككل أفرع الفيزياء فإن الديناميكا الحرارية مبنية على قواعد ناتجه من التجربة العلمية أو المعمليه، ويمكن بفضل هذا العلم اشتقاق علاقات بين كميات فيزيائية كمعاملات التمدد والإنضغاطية والسعة الحرارية النوعية ومعاملات المغناطيسية والعازلية للمواد ومدى تأثرها بالحرارة. وتنبئنا هذه المبادئ أيضًا أي العلاقات الواجب الحصول عليها مخبريًا لتحديد خصائص نظام ما.
مبادئها
عدلمبادئ الديناميكا الحرارية تتلخص في ثلاثه قوانين (أو أربعة قوانين إذا اخذنا القانون الصفرى في الاعتبار) تتلخص في أنَّ الحرارة طاقة داخلية
- القانون الصفِّري و يتعلق بمفهوم درجة الحرارة.
- القانون الأول في الديناميكا الحرارية و هو تعميم لمبدأ حفظ الطاقة ليستوعب الحرارة كطاقة ويمكننا هذا القانون من إدخال مفهوم الطاقة الداخلية.
- القانون الثاني في الديناميكا الحرارية يدور حول مفهوم الإنتروبي وهي متغير يسمح بتقدير قيمة الطاقة المهدرة في نظامٍ ما وينص في إحدى صيغه على استحالة عكس أية ظاهرة في الطبيعة وله صيغ أخرى.
- القانون الثالث في الديناميكا الحرارية و هو خاص بالأنظمة الخاضعة لتأثيرات تقربها من الصفر المطلق.
المفاهيم الأساسية
عدلالأنظمة المعزولة والأنظمة غير المعزولة
عدلإذا لم يكن بين نظامٍ ما ومحيطه أي تبادلٍ للطاقة فإننا نقول أنَّ النظام معزول وإلاَّ فهو غير معزول.
كمية الحرارة
عدلالحرارة هي إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الجسمين، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول.
درجة الحرارة
عدلدرجة الحرارة هي مقياس الاتزان الحراري ونعني بهذا الحالة التي عندها لا تنتقل الحرارة من نقطة لأخرى وذلك لعدم وجود فارق في درجات الحرارة.
الحرارة النوعية
عدلهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة أو مطلقة وبذلك تكون وحدتها هي سعرة حرارية لكل كيلوجرام لكل درجة.
السعة الحرارية
عدلهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كمية معينة من مادة ما درجة مئوية واحدة.
الطاقه الداخلية
عدلتعبر الطاقة الداخلية عن طاقة الحركة الناتجة عن حركة الجزيئات في المادة سواؤ كانت حركة انتقالية أو دورانية ،و اهتزازية ,كذلك طاقة الوضع الناتجة عن الحركة الاهتزازية
الأنظمة المفتوحة والأنظمة المغلقة
عدليقال عن نظامٍ ما ليس بينه وبين ومحيطه أي تبادلٍ للمادة بأنه مغلق وإذا حصل وكان هناك انتقال للمادة فإننا نقول أنَّ النظام مفتوح.
الضغط
عدليعرف الضغط على وسط متصل بأنه مقدار القوة المؤثرة على وحدة المساحة في هذا الوسط. هذا التعريف هو تعريف الشد المؤثر على الوسط إذا كانت القوة لوحدة المساحة المؤثرة على عنصر مساحة، داخل الوسط أو على سطحه الخارجي. مثال: إذا غمرنا جسمًا صلبًا في وعاء يحوي سائل، لايذيب الجسم الصلب، فإن الجسم الصلب خاضع لضغط والسائل كذلك
الانثالبى
عدلالمحتوى الحراري أو الإنتالبية أو السخانة و هي تعبير عن الكمون الدينامي الحراري للنظام. تسمى أحيانا "الحرارة الداخلية " لنظام ترموديناميكي ،وهي مقياس لطاقة نظام ترموديناميكي في التطبيق العملى تفيدنا حسابات تغير الإنثالبية الشغل الذي يمكن الاستفادة منه من النظام (عند الاحتفاظ بالضغط ثابتا)
الانتروبى
عدلأصل الكلمة مأخوذ عن اليونانية ومعناها "تحول" . أصبحت الإنتروبيا أو الإنتروبي مصطلحا أساسيا في الفيزياء و الكيمياء ضمن قوانين التحريك الحراري في الغازات أو السوائل ، وخاصة بالنسبة للقانون الثاني للثرموديناميك، الذي يتعامل مع العمليات الفيزيائية للأنظمة الكبيرة المكونة من جزيئات بالغة الأعداد ويبحث مسيرتها كعملية تلقائية أم لا.
الخزان الحراري
عدليسمى النظام الذي يمتلك سعة حرارية عالية بحيث أنَّ سريان الحرارة منه أو إليه لا يؤدي إلى تغير محسوس في درجة الحرارة الخزان الحراري.
الانعكاسية
عدلالعملية التي يمكن عكسها بعد انتهائها من غير حدوث أي تغير فيها ولا في الجو المحيط و هي عمليات مثاليه يمكن تناولها نظريا لكن لا يكمن تحقيقها عمليا.
اللا انعكاسية
عدلهو أي اختلاف بين الشغل المعكوس و الشغل الذي نستفيد منه نتيجه للانعكاس خلال العمليه, و الانعكاسيه يمكن ملاحظتها على أنها الشغل الضائع أو الفرصة المفقودة لعمل شغل
القانون الصفري في الديناميكا الحرارية
عدلالقانون الصفري في الديناميكا الحرارية
عدلإذا كان جسمان متزنين حراريًا كلا على حِدة مع جسم ثالث، فإنهما سوف يكونان في حالة اتزان حراري بينهما. و يطبق هذا القانون في عمليات القياسات لمعرفة إذا كانت درجة حرارة نظامين متساوية فلسنا بحاجة لوضعهما في تماس الواحد مع الآخر وإنما يمكن استخدام نظامٍ ثالث، وهو الذي يمثِّل ميزان الحرارة، و هذه هي الفكرة الأساسية وراء مفهوم قياس درجة الحرارة وبالتالي اختراع موازين الحرارة الزئبقيه.
الاتزان الحراري ومفهوم درجة الحرارة
عدلإذا حصل أي تغيير في محيط نظامٍ ما بتأثير الحرارة، فإنَّ الأخير سوف يعاني تغييرًا في حالته (أي متغيراته) وبعد فترة فإنه سوف يصل إلى حالة جديدة نقول أنه أصبح فيها متزنًا حراريًا. إذا وضعنا نظامين في تماس أو اتصال حراري فإنهما سيعانيان تغييرًا في حالتهما حتى يصلا إلى وضع يصبح فيه كلٌّ منهما في اتزان حراري. يمكن تفسير هذا الوضع بالقول أنَّ الحرارة انسابت من أحد النظامين للآخر حتى يصبحا لهما نفس درجة الحرارة.
أنواع الاتزان الحراري
عدل- الاتزان المستقِّر.
- الاتزان شبه المستقِّر.
- الاتزان المحايد.
- الاتزان غير المستقِّر.
الاتزان الثيرموديناميكي
عدلتتغير خصائص نظام معزول مع الزمن. إذا كان هناك فروق في درجة الحرارة بين أجزاء النظام، فإنَّ درجة الحرارة تصبح نفسها في جميع نقاط النظام بعد مرور فترة من الزمن ونقول أن الجسم في اتزان حراري.
القانون الأول في الديناميكا الحرارية
عدلالطاقة في النظام تساوي العمل المبذول (المضاف أو المنتزع) يضاف إليها الطاقة الداخلية (المضافة أو المنتزعة).
القانون الثانى في الديناميكا الحرارية
عدللا يمكن أن تحدث العمليات التي قد تنقص فيها الإنتروبي لنظام معزول في كلِّ عملية يخضع لها نظام معزول فإنَّ الإنتروبي إما تزداد وإما تبقى ثابتة.
القانون الثالث في الديناميكا الحرارية
عدلمن المستحيل تبريد نظام إلى درجة الصفر المطلق. لكن يمكن الاقتراب من درجة الصفر المطلقة، مثلما يحدث عند دراسة الميوعة الفائقة للهيليوم-3 حيث تصل درجته الحرجة للميوعة الفائقة عند 0.0026 كلفن.