الديناميكا الحرارية الكلاسيكية

مفهوم الديناميكا الحرارية الكلاسيكية:

تعرف الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، والتي لا تتضمن اعتبار الذرات أو الجزيئات الفردية، وهذه المخاوف بأنها محور فرع الديناميكا الحرارية المعروف باسم الديناميكا الحرارية الإحصائية أو الميكانيكا الإحصائية، التي تعبر عن الخصائص الديناميكية الحرارية العيانية من حيث سلوك الجسيمات الفردية وتفاعلاتها، حيث تعود جذورها إلى الجزء الأخير من القرن التاسع عشر، عندما بدأت النظريات الذرية والجزيئية للمادة مقبولة بشكل عام.

مبادىء الديناميكية الحرارية:

يبدأ تطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية بتحديد نظام متميز إلى حد ما عن محيطه على سبيل المثال، يمكن أن يكون النظام عينة من الغاز داخل أسطوانة بمكبس متحرك أو محرك بخاري كامل أو عداء ماراثون، كوكب الأرض، نجم نيوتروني، ثقب أسود، حتى الكون بأكمله، بشكل عام تتمتع الأنظمة بحرية تبادل الحرارة والعمل وأشكال الطاقة الأخرى مع محيطها.

تسمى حالة النظام في أي وقت بالحالة الديناميكية الحرارية، بحيث بالنسبة للغاز الموجود في الأسطوانة ذات المكبس المتحرك، يتم تحديد حالة النظام من خلال درجة حرارة الغاز وضغطه وحجمه، إن هذه الخصائص هي معلمات مميزة لها قيم محددة في كل حالة وهي مستقلة عن الطريقة التي وصل بها النظام إلى تلك الحالة.

بمعنى آخر أي تغيير في قيمة خاصية ما يعتمد فقط على الحالة الأولية والنهائية للنظام، وليس على المسار الذي يتبعه النظام من حالة إلى أخرى، وتسمى هذه الخصائص وظائف الدولة، وفي المقابل فإن العمل المنجز أثناء تحرك المكبس وتمدد الغاز والحرارة التي يمتصها الغاز من محيطه تعتمد على الطريقة التفصيلية التي يحدث بها التمدد.

يمكن فهم سلوك النظام الديناميكي الحراري المعقد مثل الغلاف الجوي للأرض، من خلال تطبيق مبادئ الحالات والخصائص على الأجزاء المكونة له في هذه الحالة، الماء وبخار الماء والغازات المختلفة التي يتكون منها الغلاف الجوي، ومن خلال عزل عينات من المواد التي يمكن التحكم في حالاتها وخصائصها ومعالجتها، يمكن دراسة الخصائص وعلاقاتها المتبادلة مع تغير النظام من حالة إلى أخرى.

التوازن الديناميكي الحراري:

مفهوم مهم بشكل خاص هو التوازن الديناميكي الحراري، حيث لا يوجد ميل لحالة النظام للتغيير تلقائيًا، وعلى سبيل المثال سيكون الغاز الموجود في أسطوانة ذات مكبس متحرك في حالة توازن إذا كانت درجة الحرارة والضغط بالداخل منتظمين وإذا كانت قوة التقييد على المكبس كافية لمنعه من الحركة.

يمكن بعد ذلك جعل النظام يتغير إلى حالة جديدة فقط من خلال تغيير مفروض خارجيًا في إحدى وظائف الحالة، مثل درجة الحرارة عن طريق إضافة الحرارة أو الحجم عن طريق تحريك المكبس، إذ يُطلق على تسلسل واحد أو أكثر من هذه الخطوات التي تربط بين حالات مختلفة من النظام عملية.

بشكل عام النظام ليس في حالة توازن لأنه يتكيف مع التغيير المفاجئ في بيئته، وعلى سبيل المثال عندما ينفجر بالون، يكون الغاز المضغوط بالداخل بعيدًا عن التوازن فجأة، ويتمدد بسرعة حتى يصل إلى حالة توازن جديدة ومع ذلك يمكن تحقيق الحالة النهائية نفسها عن طريق وضع نفس الغاز المضغوط في أسطوانة بمكبس متحرك وتطبيق سلسلة من الزيادات الصغيرة في الحجم (ودرجة الحرارة)، مع إعطاء النظام الوقت للوصول إلى التوازن بعد كل صغير زيادة راتب.

ويقال أن مثل هذه العملية قابلة للعكس لأن النظام في حالة توازن (أو بالقرب من) في كل خطوة على طول مساره، ويمكن عكس اتجاه التغيير في أي نقطة، حيث يوضح هذا المثال كيف يمكن لمسارين مختلفين توصيل نفس الحالة الأولية والنهائية، الأول لا رجوع فيه (انفجار البالون) والثاني قابل للعكس.

إن مفهوم العمليات العكسية يشبه الحركة بدون احتكاك في الميكانيكا، كما إنه يمثل حالة تحديد مثالية مفيدة للغاية في مناقشة خصائص الأنظمة الحقيقية، العديد من نتائج الديناميكا الحرارية مستمدة من خصائص العمليات القابلة للعكس.

درجة الحرارة:

يُعد مفهوم درجة الحرارة أمرًا أساسيًا في أي مناقشة للديناميكا الحرارية، ولكن تعريفها الدقيق ليس مسألة بسيطة على سبيل المثال، قد يبدو قضيب فولاذي أكثر برودة من قضيب خشبي في درجة حرارة الغرفة لمجرد أن الفولاذ أفضل في توصيل الحرارة بعيدًا عن الجلد.

لذلك من الضروري أن يكون لدينا طريقة موضوعية لقياس درجة الحرارة، وبشكل عام، عندما يتلامس جسمان حراريًا، ستتدفق الحرارة بينهما حتى يتوازن كل منهما مع الآخر، وعندما يتوقف تدفق الحرارة، يقال إنهم يكونون في نفس درجة الحرارة.

يُضفي القانون الصفري للديناميكا الحرارية طابعًا رسميًا على هذا من خلال التأكيد على أنه إذا كان الجسم A في حالة توازن حراري متزامن مع كائنين آخرين B و C ، فإن B و C سيكونان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض إذا تم إحضارهما في اتصال حراري، كما يمكن للكائن “A” بعد ذلك أن يلعب دور مقياس الحرارة من خلال بعض التغييرات في خصائصه الفيزيائية مع درجة الحرارة، مثل حجمه أو مقاومته الكهربائية.