الديناميكا الحرارية

يوجد في عالم الفيزياء فرع مسؤول عن دراسة التحولات الناتجة عن الحرارة والعمل في نظام. يتعلق الأمر بـ الديناميكا الحرارية. إنه فرع من فروع الفيزياء مسؤول عن دراسة جميع التحولات التي تنتج فقط من العمليات التي تنطوي على تغييرات في متغيرات الحالة لكل من درجة الحرارة والطاقة على المستوى العياني.

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. نعلم كل هذه المتغيرات وهي درجة الحرارة والضغط والحجم والتركيب الكيميائي. كل هذه المتغيرات هي التي تحدد الأنظمة وتوازنها. تم إنشاء الرموز الرئيسية الموجودة في الديناميكا الحرارية الكيميائية بفضل الاتحاد الدولي المطبق. باستخدام هذه الوحدات ، من الممكن العمل وشرح قانون الديناميكا الحرارية بشكل أفضل.

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.

قوانين

تم استنكار المبادئ خلال القرن التاسع عشر من قبل عيسى إنهم مسؤولون عن تنظيم كل التحولات وتقدمها. كما يقومون بتحليل ماهية الحدود الحقيقية من أجل الحصول على تصور حقيقي. إنها بديهيات لا يمكن إثباتها ولكنها غير قابلة للإثبات على أساس الخبرة. تعتمد كل نظرية في الديناميكا الحرارية على هذه المبادئ. يمكننا التمييز بين 3 مبادئ أساسية بالإضافة إلى المبدأ ، لكن هذا هو المبدأ الذي يحدد درجة الحرارة والمضمون في المبادئ الثلاثة الأخرى.

قانون الصفر

سنقوم بوصف قانون الصفر هذا ، وهو أول قانون يصف درجة الحرارة المتضمنة في بقية المبادئ. عندما يتفاعل نظامان مع بعضهما البعض ويكونان في حالة توازن حراري ، فإنهما يشتركان في بعض الخصائص. يمكن قياس هذه الخصائص التي يتشاركونها مع بعضهم البعض ومنحها قيمة عددية. نتيجة لذلك ، إذا كان النظامان في حالة توازن مع نظام ثالث ، فسيكونان في حالة توازن مع بعضهما البعض وتكون الخاصية المشتركة هي درجة الحرارة.

لذلك ، فإن هذا المبدأ ينص ببساطة على أنه إذا كان الجسم A في حالة توازن مع الجسم B وهذا الجسم B سيكون في حالة توازن حراري مع الجسم C ، ثم يكون الجسمان A و C أيضًا في حالة اتزان حراري. يوضح هذا المبدأ حقيقة أن جسدين عند درجات حرارة مختلفة يمكنهما تبادل الحرارة مع بعضهما البعض. عاجلاً أم آجلاً ، يصل كلا الجسمين إلى نفس درجة الحرارة ، لذلك يكونان في حالة توازن كلي.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

عندما يكون الجسم على اتصال بجسم أكثر برودة ، يحدث تحول يؤدي إلى حالة من التوازن. تعتمد حالة التوازن هذه على حقيقة أن درجة حرارة الجسمين متساوية حيث يتم تعزيز نقل الطاقة بين الجسم الساخن للجسم البارد. من أجل تفسير هذه الظاهرة ، افترض العلماء أن المادة الساخنة الموجودة بكميات أكبر تمر بجسم أكثر برودة. كان يعتقد أن السائل يمكن أن يتحرك عبر الكتلة ليتمكن من تبادل الحرارة.

هذا المبدأ مسؤول عن تحديد الحرارة كشكل من أشكال الطاقة. إنها ليست مادة مادية. وبهذه الطريقة يمكن إثبات أن الحرارة التي تُقاس بالسعرات الحرارية والعمل ، والتي تُقاس بالجول ، متكافئة. لذلك ، نعرف اليوم ذلك 1 سعرة حرارية تقارب 4,186 جول.

يمكن القول أن المبدأ الأول للديناميكا الحرارية هو مبدأ الحفاظ على الطاقة. يتم تحويل مقدار الطاقة في المحرك الحراري إلى عمل ويمكن رؤيته بواسطة أي آلة يمكنها إنتاج مثل هذا العمل دون استهلاك الطاقة. يمكننا إنشاء هذا المبدأ الأول على النحو التالي: تباين الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري مغلق يساوي الفرق الموجود بين الحرارة المزودة للنظام والعمل الذي يقوم به النظام المذكور في البيئة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يوضح هذا في البداية أنه من المستحيل صنع آلة دورية تؤدي فقط إلى انتقال الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الدافئ. يمكننا القول أنه من المستحيل إجراء تحول تكون نتيجته فقط وهو تحويل الحرارة التي استخرجناها من مصدر واحد إلى عمل ميكانيكي.

هذا المبدأ مسؤول عن إنكار إمكانية وجود الحركة الدائمة المعروفة للنوع الثاني. نحن نعلم أن الكون من النظام يظل معزولًا دون تغيير عند حدوث تحول عكسي. كما نعلم أنه يزداد عندما يحدث تحول لا رجوع فيه.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

يرتبط هذا المبدأ الأخير ارتباطًا وثيقًا بالمبدأ الثاني ويعتبر نتيجة له. يؤكد هذا المبدأ أن الوجود المطلق لا يمكن تحقيقه في اللون مع عدد محدود من التحولات. نعلم أن الصفر المطلق لا يزيد عن أدنى درجة حرارة يمكن الوصول إليها. بالوحدات نعلم أن كلفن يساوي 0 ، لكن قيمته بالدرجات السلزية -273.15 درجة.

وتنص أيضًا على أن الانتروبيا لمادة صلبة متبلورة تمامًا بدرجة حرارة 0 كلفن تساوي 0. وهذا يعني أنه لن يكون هناك إنتروبيا ، وبالتالي سيكون النظام مستقرًا تمامًا. طاقة التحرير والترجمة والدوران للجسيمات التي تتكون منها لن تكون شيئًا عند درجة حرارة 0 كلفن.

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