الديناميكا الحرارية

يوجد في عالم الفيزياء فرع مسؤول عن دراسة التحولات الناتجة عن الحرارة والعمل في نظام. يتعلق الأمر بـ الديناميكا الحرارية. هو فرع من الفيزياء يدرس جميع التحولات التي تنتج عن عمليات تتضمن تغيرات في متغيرات الحالة لكل من درجة الحرارة والطاقة على المستوى الكلي. للتعمق أكثر في هذا الموضوع، يمكنك الرجوع إلى مبادئ الديناميكا الحرارية وأيضا أنظمة وحدات درجة الحرارة.

في هذه المقالة سوف نخبرك بكل ما تحتاج لمعرفته حول الديناميكا الحرارية ومبادئ الديناميكا الحرارية.

الملامح الرئيسية

إذا قمنا بتحليل الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، فإننا نرى أنه يعتمد على مفهوم النظام العياني. هذا النظام ليس أكثر من جزء من الكتلة المادية أو المفاهيمية المنفصلة عن البيئة الخارجية. من أجل دراسة الأنظمة الديناميكية الحرارية بشكل أفضل ، يُفترض دائمًا أنها كتلة فيزيائية لا تتأثر بتبادل الطاقة مع النظام البيئي الخارجي.

حالة النظام العياني ما هو في ظل ظروف التوازن يتم تحديدها بكميات تسمى المتغيرات الديناميكية الحرارية. نحن نعلم كل هذه المتغيرات وهي: درجة الحرارة، والضغط، والحجم، والتركيب الكيميائي. كل هذه المتغيرات هي التي تحدد الأنظمة وتوازنها. لقد تم إرساء الرموز الرئيسية المستخدمة في الديناميكا الحرارية الكيميائية بفضل الاتحاد التطبيقي الدولي. باستخدام هذه الوحدات، يمكنك العمل على شرح قانون الديناميكا الحرارية بشكل أفضل. بالإضافة إلى ذلك، دراسة الكون وهو أمر ضروري أيضًا في هذا المجال.

ومع ذلك ، هناك فرع من الديناميكا الحرارية لا يدرس التوازن ، ولكنه مسؤول عن تحليل العمليات الديناميكية الحرارية التي تتميز بشكل أساسي عدم امتلاك القدرة على تحقيق شروط التوازن بطريقة مستقرة. وهذا يتعلق بأهمية فهم سلوك الدورات الديناميكية الحرارية في هذه العمليات.

قوانين

لقد تم التنديد بالمبادئ خلال القرن التاسع عشر وهي تلك التي إنهم مسؤولون عن تنظيم كل التحولات وتقدمها. ويقومون أيضًا بتحليل الحدود الحقيقية من أجل الحصول على تصور حقيقي. إنها مسلمات لا يمكن إثباتها ولكن لا يمكن إثباتها استنادًا إلى التجربة. وتعتمد كل نظرية في الديناميكا الحرارية على هذه المبادئ. يمكننا التمييز بين ثلاثة مبادئ أساسية بالإضافة إلى مبدأ الصفر، الذي يحدد درجة الحرارة وهو ضمني في المبادئ الثلاثة الأخرى.

قانون الصفر

دعونا نصف هذا القانون الصفري، وهو القانون الأول المسؤول عن وصف درجة الحرارة الضمنية في بقية المبادئ. عندما يتفاعل نظامان مع بعضهما البعض ويكونان في حالة توازن حراري، فإنهما يتشاركان بعض الخصائص. يمكن قياس هذه الخصائص المشتركة بينهما وإعطائها قيمة عددية. ونتيجة لذلك، إذا كان النظامان في حالة توازن مع نظام ثالث، فإنهما سيكونان في حالة توازن مع بعضهما البعض والخاصية المشتركة بينهما هي درجة الحرارة.

لذلك، ينص مبدأ الصفر هذا ببساطة على أنه إذا كان الجسم أ في حالة توازن مع الجسم ب وكان هذا الجسم ب في حالة توازن حراري مع الجسم ج، إذن سيكون الجسمان أ وج في حالة توازن أيضًا حراري. يساعد هذا المبدأ على فهم تبادل الحرارة بين الأجسام عند درجات حرارة مختلفة. ولمن يرغب في فهم هذه القوانين بشكل أفضل، أنصح بزيارة صفحة فروع الفيزياء.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

عندما يتم وضع جسم على اتصال مع جسم أبرد، يحدث تحول يؤدي إلى حالة التوازن. تعتمد هذه الحالة من التوازن على تساوي درجة حرارة الجسمين، حيث يحدث انتقال للطاقة بين الجسم الساخن والجسم البارد. ولتفسير هذه الظاهرة، افترض العلماء أن المادة الساخنة الموجودة بكميات أكبر سوف تنتقل إلى جسم أكثر برودة. تم التفكير في سائل يمكنه التحرك عبر الكتلة من أجل تبادل الحرارة.

هذا المبدأ مسؤول عن تحديد الحرارة كشكل من أشكال الطاقة. إنها ليست مادة مادية. بهذه الطريقة، أصبح من الممكن إثبات أن الحرارة، التي تقاس بالسعرات الحرارية، والعمل، الذي يقاس بالجول، متكافئان. لذلك نعلم اليوم أن 1 سعرة حرارية تقارب 4,186 جول.

يمكن القول أن المبدأ الأول للديناميكا الحرارية هو مبدأ حفظ الطاقة. يتم تحويل كمية الطاقة في المحرك الحراري إلى عمل ولا توجد آلة يمكنها إنتاج مثل هذا العمل دون استهلاك الطاقة. يمكننا أن نؤسس هذا المبدأ الأول على النحو التالي: إن تغير الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي مغلق يساوي الفرق بين الحرارة المزودة للنظام والعمل الذي يقوم به النظام المذكور في البيئة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يؤكد هذا المبدأ أنه من المستحيل صنع آلة دورية يكون هدفها الوحيد هو نقل الحرارة من جسم بارد إلى جسم دافئ. يمكننا القول أنه من المستحيل إجراء تحويل لن تكون نتيجته إلا وهو تحويل الحرارة التي استخرجناها من مصدر واحد إلى عمل ميكانيكي.

هذا المبدأ هو المسؤول عن نفي إمكانية وجود الحركة الدائمة المعروفة من النوع الثاني. نحن نعلم أن إنتروبيا النظام تبقى معزولة دون تغييرات عندما يحدث تحول عكسي. ونعلم أيضًا أنها تزداد عندما يحدث تحول لا رجعة فيه.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

إن المبدأ الأخير يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمبدأ الثاني ويعتبر نتيجة له. تنص هذه القاعدة على أنه لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق من خلال عدد محدود من التحويلات. نحن نعلم أن الصفر المطلق ليس أكثر من الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها. بالوحدات نحن نعلم أن كلفن يساوي 0، ولكن بالدرجات المئوية يكون قيمته -273.15 درجة.

كما أثبت أن إنتروبيا مادة صلبة متبلورة تمامًا ودرجة حرارتها 0 كلفن تساوي 0. وهذا يعني أنه لن يكون هناك إنتروبيا، وبالتالي سيكون النظام مستقرًا تمامًا. إن طاقة الإطلاق والترجمة والدوران للجسيمات المكونة لها لن تكون شيئًا عند درجة حرارة 0 كلفن.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن الديناميكا الحرارية والمبادئ الأساسية.