اقرأ في هذا المقال
- ما هو النظام أو المحيط – System or Surroundings؟
- ما هي الديناميكا الحرارية – Thermodynamics؟
- الفروع المختلفة للديناميكا الحرارية
- خصائص الديناميكية الحرارية
- ما هو المحتوى الحراري – Enthalpy؟
- قوانين الديناميكا الحرارية
ما هو النظام أو المحيط – System or Surroundings؟
من أجل تجنب الالتباس، يناقش العلماء القيم الديناميكية الحرارية في إشارة إلى النظام ومحيطه، كل ما هو ليس جزءًا من النظام يشكل محيطه، النظام والمناطق المحيطة مفصولة بحدود، على سبيل المثال، إذا كان النظام عبارة عن مول واحد من غاز في حاوية، فإنّ الحدود هي ببساطة الجدار الداخلي للحاوية نفسها، كل شيء خارج الحدود يعتبر محيطًا، والذي سيشمل الحاوية نفسها.
يجب تحديد الحدود بوضوح، بحيث يمكن للمرء أن يقول بوضوح ما إذا كان جزء معين من العالم موجودًا في النظام أو في المناطق المحيطة، إذا كانت المادة غير قادرة على المرور عبر الحدود، يقال إنّ النظام مغلق؛ خلاف ذلك، فهو مفتوح، قد يستمر النظام المغلق في تبادل الطاقة مع المناطق المحيطة ما لم يكن النظام معزولاً، وفي هذه الحالة لا يمكن للمادة ولا الطاقة أن تمر عبر الحدود.
ما هي أنواع النظام؟
هناك ثلاثة أنواع من النظام على النحو التالي:
- النظام المعزول (Isolated System): لا يمكن للنظام المعزول تبادل الطاقة والكتلة مع محيطه، يعتبر الكون نظامًا معزولًا.
- النظام المغلق (Closed System): عبر حدود النظام المغلق، يتم نقل الطاقة ولكن لا يتم نقل الكتلة، تعتبر الثلاجة وضغط الغاز في مجموعة أسطوانة المكبس أمثلة على الأنظمة المغلقة.
- النظام المفتوح (Open System): في النظام المفتوح، يمكن نقل الكتلة والطاقة بين النظام والمناطق المحيطة، التوربينات البخارية هي مثال على النظام المفتوح.
ما هي الديناميكا الحرارية – Thermodynamics؟
تتعامل الديناميكا الحرارية مع مفاهيم الحرارة ودرجة الحرارة والتحويل البيني للحرارة وأشكال الطاقة الأخرى، تشرح قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة سلوك هذه الكميات وتقدم وصفًا كميًا لها، صاغ “ويليام طومسون”، في عام (1749)، مصطلح الديناميكا الحرارية، كلمة (Thermodynamics) مشتقة من الكلمتين اليونانيتين (Thermes) و(dynamikos)، والتي تعني الحرارة والقوية على التوالي.
“الديناميكا الحرارية في الفيزياء هي فرع يتعامل مع الحرارة والشغل ودرجة الحرارة وعلاقتها بالطاقة والإشعاع والخصائص الفيزيائية للمادة”.
لكي يكون تعريف الديناميكا الحرارية محددًا، فإنّه يشرح كيفية تحويل الطاقة الحرارية إلى أو من أشكال أخرى من الطاقة وكيف تتأثر المادة بهذه العملية، الطاقة الحرارية هي الطاقة التي تأتي من الحرارة، تتولد هذه الحرارة عن طريق حركة الجزيئات الصغيرة داخل الجسم، كلما تحركت هذه الجسيمات بشكل أسرع، زادت الحرارة المتولدة.
الديناميكا الحرارية ليست معنية بكيفية ومعدل تنفيذ هذه التحولات في الطاقة ولكنّها تعتمد على الحالات الأولية والنهائية لنظام يخضع للتغيير، وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنّ الديناميكا الحرارية علم مجهري، هذا يعني أنّه يتعامل مع النظام الكتلي ولا يتعامل مع التكوين الجزيئي للمادة.
التمييز بين الميكانيكا والديناميكا الحرارية:
تجدر الإشارة إلى التمييز بين الميكانيكا والديناميكا الحرارية، في الميكانيكا، نركز فقط على حركة الجسيمات أو الأجسام تحت تأثير القوى وعزم الدوران، من ناحية أخرى، لا تهتم الديناميكا الحرارية بحركة النظام ككل، يتعلق الأمر فقط بالحالة العيانية الداخلية للجسم.
الفروع المختلفة للديناميكا الحرارية:
تصنف الديناميكا الحرارية إلى الفروع الأربعة التالية:
الديناميكا الحرارية الكلاسيكية – Classical Thermodynamics:
في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، يتم تحليل سلوك المادة بأسلوب مجهري، يتم أخذ قيم مثل درجة الحرارة والضغط في الاعتبار ممّا يساعدنا على حساب الخصائص الأخرى وتوقع خصائص المادة التي تخضع للعملية.
الديناميكا الحرارية الإحصائية – Statistical Thermodynamics:
في الديناميكا الحرارية الإحصائية، كل جزيء تحت دائرة الضوء، أي خصائص كل جزيء والطرق التي يتفاعلون بها تؤخذ في الاعتبار لتوصيف سلوك مجموعة من الجزيئات.
الديناميكا الحرارية الكيميائية – Chemical Thermodynamics:
الديناميكا الحرارية الكيميائية هي دراسة كيفية ارتباط الشغل (work) والحرارة ببعضهما البعض في كل من التفاعلات الكيميائية وتغيرات الحالات.
الديناميكا الحرارية للتوازن – Equilibrium Thermodynamics:
الديناميكا الحرارية للتوازن هي دراسة تحولات الطاقة والمادة عندما تقترب من حالة التوازن.
خصائص الديناميكية الحرارية:
تُعرَّف الخصائص الديناميكية الحرارية على أنّها صفات مميزة للنظام، قادرة على تحديد حالة النظام، قد تكون الخصائص الديناميكية الحرارية واسعة النطاق (extensive) أو مكثفة (intensive):
- الخصائص المكثفة هي خصائص لا تعتمد على كمية المادة، الضغط ودرجة الحرارة خصائص مكثفة.
- في حالة الخصائص الشاملة “واسعة النطاق”، تعتمد قيمتها على كتلة النظام، الحجم والطاقة والمحتوى الحراري هي خصائص واسعة النطاق.
ما هو المحتوى الحراري – Enthalpy؟
المحتوى الحراري هو قياس الطاقة الموجودة في نظام ديناميكي حراري، كمية المحتوى الحراري تساوي المحتوى الكلي للحرارة للنظام الحراري، وهو ما يعادل الطاقة الداخلية للنظام بجمع الناتج إلى ناتج ضرب الحجم والضغط، رياضيًا، المحتوى الحراري، (H)، يساوي مجموع الطاقة الداخلية، (E)، وناتج الضغط، (P)، والحجم، (V) للنظام:
H = E + PV
ما هو الإنتروبيا – Entropy؟
الإنتروبيا هي كمية ديناميكية حرارية تعتمد قيمتها على الحالة الفيزيائية أو حالة النظام، بمعنى آخر، إنّها وظيفة ديناميكية حرارية تستخدم لقياس عشوائية أو اضطراب النظام، على سبيل المثال، إنتروبيا المادة الصلبة، حيث لا تكون الجسيمات حرة في الحركة، أقل من إنتروبيا الغاز، حيث تملأ الجسيمات الحاوية.
قوانين الديناميكا الحرارية:
تحدد قوانين الديناميكا الحرارية الكميات الفيزيائية الأساسية مثل الطاقة ودرجة الحرارة والإنتروبيا التي تميز الأنظمة الديناميكية الحرارية عند التوازن الحراري (thermal equilibrium)، تمثل هذه القوانين الديناميكية الحرارية كيف تتصرف هذه الكميات في ظل ظروف مختلفة، هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية وهي كالتالي:
القانون الصفري للديناميكا الحرارية – Zeroth law of thermodynamics:
“ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنّه إذا كان جسمان فرديًا في حالة توازن مع جسم ثالث منفصل، فإنّ الجسمين الأولين يكونان أيضًا في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض”.
يعني هذا أساسًا أنّه إذا كان النظام (A) في حالة توازن حراري مع النظام (C) وكان النظام (B) أيضًا في حالة توازن مع النظام (C)، فإنّ النظام (A) و (B) يكونان أيضًا في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض، المثال التالي يوضح قانون (Zeroth):
ضع في اعتبارك كوبين (A) و (B) مع وجود ماء مغلي فيهما، عندما يتم وضع مقياس حرارة في الكوب (A)، يتم تسخينه بواسطة الماء حتى يصبح (100) درجة مئوية، عندما تقرأ (100) درجة مئوية، نقول أنّ الترمومتر في حالة توازن مع الكوب (A)، الآن عندما ننقل الترمومتر إلى الكوب (B) لقراءة درجة الحرارة، فإنّه يستمر في قراءة (100) درجة مئوية.
ميزان الحرارة أيضًا في حالة توازن مع الكوب (B)، من خلال مراعاة القانون الصفري للديناميكا الحرارية، يمكننا أن نستنتج أنّ الكوب (A) والكوب (B)، متوازنان مع بعضهما البعض، يمكّننا القانون الصفري للديناميكا الحرارية من استخدام موازين الحرارة لمقارنة درجة حرارة أي جسمين نريد قياسهما.
القانون الأول للديناميكا الحرارية – First law of thermodynamics:
“ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية، المعروف أيضًا باسم “قانون حفظ الطاقة”، على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة، ولكن يمكن تغييرها من شكل إلى آخر”.
قد يبدو القانون الأول للديناميكا الحرارية مجردًا، ولكن إذا نظرنا إلى بعض الأمثلة للقانون الأول للديناميكا الحرارية، فسنحصل على فكرة أوضح، أمثلة على القانون الأول للديناميكا الحرارية:
- تقوم النباتات بتحويل الطاقة المشعة لأشعة الشمس إلى طاقة كيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي، نحن نأكل النباتات ونحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حركية بينما نسبح ونمشي ونتنفس.
- قد يبدو أنّ تشغيل الضوء ينتج طاقة، ومع ذلك، يتم تحويل الطاقة الكهربائية.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية – Second law of thermodynamics:
“ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنّ الإنتروبيا في نظام معزول تزداد دائمًا، يتطور أي نظام معزول تلقائيًا نحو التوازن الحراري، حالة الإنتروبيا القصوى للنظام”.
إنّ إنتروبيا الكون تزداد فقط ولا تنقص أبدًا، يأخذ العديد من الأفراد هذا البيان على محمل الجد ومن المسلم به، ولكن له تأثير ونتائج واسعة النطاق، لنتصور القانون الثاني للديناميكا الحرارية، إذا لم يتم ترتيب الغرفة أو تنظيفها، فإنّها دائمًا ما تصبح أكثر فوضوية واضطرابًا بمرور الوقت، عندما يتم تنظيف الغرفة تتناقص الإنتروبيا الخاصة بها ولكن الجهد المبذول لتنظيفها أدى إلى زيادة في الإنتروبيا خارج الغرفة تتجاوز الإنتروبيا المفقودة.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية – Third law of thermodynamics:
“ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنّ إنتروبيا النظام تقترب من قيمة ثابتة عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق”.
إنتروبيا مادة بلورية نقية ذات ترتيب مثالي، عند درجة حرارة الصفر المطلق هي صفر، هذه العبارة صحيحة إذا كانت البلورة المثالية لها حالة واحدة فقط مع الحد الأدنى من الطاقة.
