الديناميكا الحرارية: التعريف والقوانين والمعادلات

بالنسبة لكثير من الناس ، تبدو الديناميكا الحرارية وكأنها فرع مخيف من الفيزياء لا يفهمه إلا الأذكياء. ولكن مع بعض المعرفة التأسيسية وقليل من العمل ، يمكن لأي شخص أن يفهم مجال الدراسة هذا.

الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء يستكشف ما يجري في الأنظمة الفيزيائية بسبب نقل الطاقة الحرارية. كان للفيزيائيين من Sadi Carnot إلى Rudolf Clausius و James Clerk Maxwell إلى Max Planck دور في تطويره.

تأتي كلمة "الديناميكا الحرارية" من الجذور اليونانية الترمس، بمعنى ساخن أو دافئ ، و ديناميكوس، بمعنى قوي ، على الرغم من أن التفسيرات اللاحقة للجذر تنسب معنى الفعل والحركة إليه. في جوهرها ، الديناميكا الحرارية هي دراسة الطاقة الحرارية أثناء الحركة.

تتعامل الديناميكا الحرارية مع كيفية توليد الطاقة الحرارية وتحويلها إلى أشكال مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الميكانيكية. كما يستكشف مفهوم النظام والاضطراب في الأنظمة الفيزيائية بالإضافة إلى كفاءة الطاقة في العمليات المختلفة.

تعتمد الدراسة العميقة للديناميكا الحرارية أيضًا بشكل كبير على الميكانيكا الإحصائية من أجل فهم النظرية الحركية وما إلى ذلك. الفكرة الأساسية هي أن العمليات الديناميكية الحرارية يمكن فهمها من حيث ما تفعله كل الجزيئات الصغيرة في النظام.

ومع ذلك ، تكمن المشكلة في أنه من المستحيل ملاحظة وتفسير الإجراء الفردي لكل جزيء ، لذلك يتم تطبيق الأساليب الإحصائية بدلاً من ذلك ، وبدقة كبيرة.

تم تطوير بعض الأعمال التأسيسية المتعلقة بالديناميكا الحرارية في وقت مبكر من القرن السابع عشر. حدد قانون بويل ، الذي طوره روبرت بويل ، العلاقة بين الضغط والحجم ، مما أدى في النهاية إلى قانون الغاز المثالي عند دمجه مع قانون تشارلز وقانون جاي-لوساك.

لم يُفهم الكونت رومفورد (المعروف أيضًا باسم السير بنيامين طومسون) حتى عام 1798 على أنها أحد أشكال الطاقة. ولاحظ أن الحرارة المتولدة تتناسب مع العمل المنجز في تحويل أداة مملة.

في أوائل القرن التاسع عشر ، قام المهندس العسكري الفرنسي سادي كارنو بقدر كبير من العمل في تطوير مفهوم دورة المحرك الحراري ، وكذلك فكرة الانعكاس في الديناميكا الحرارية عملية. (تعمل بعض العمليات بشكل عكسي في الوقت المناسب كما تعمل إلى الأمام في الوقت المناسب ؛ تسمى هذه العمليات بالعكس. العديد من العمليات الأخرى تعمل فقط في اتجاه واحد.)

أدى عمل كارنو إلى تطوير المحرك البخاري.

في وقت لاحق ، صاغ رودولف كلاوسيوس القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية ، والتي تم وصفها لاحقًا في هذه المقالة. تطور مجال الديناميكا الحرارية بسرعة في القرن التاسع عشر حيث عمل المهندسون على جعل المحركات البخارية أكثر كفاءة.

تشمل الخصائص والكميات الديناميكية الحرارية ما يلي:

• الحرارة، وهي الطاقة المنقولة بين الأجسام عند درجات حرارة مختلفة.
• درجة حرارة، وهو مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة ما.
• الطاقة الداخلية، وهو مجموع الطاقة الحركية الجزيئية والطاقة الكامنة في نظام من الجزيئات.
• ضغط، وهو قياس القوة لكل وحدة مساحة على حاوية تحتوي على مادة.
• مقدار هو الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي تحتله المادة.
• الدول الصغيرة هي الحالات التي توجد فيها الجزيئات الفردية.
• الدول الكبرى هي الحالات الأكبر التي توجد فيها مجموعات الجزيئات.
• غير قادر علي هو مقياس للاضطراب في مادة. يتم تعريفه رياضيا من حيث microstates ، أو ما يعادله ، من حيث التغيرات في الحرارة ودرجة الحرارة.

تستخدم العديد من المصطلحات العلمية المختلفة في دراسة الديناميكا الحرارية. من أجل تبسيط التحقيقات الخاصة بك ، إليك قائمة بتعريفات المصطلحات شائعة الاستخدام:

• التوازن الحراري أو التوازن الديناميكي الحراري: حالة تكون فيها جميع أجزاء نظام مغلق بنفس درجة الحرارة.
• الصفر المطلق كلفن: كلفن هي وحدة قياس درجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات. أدنى قيمة في هذا المقياس هي صفر أو صفر مطلق. إنها أبرد درجة حرارة ممكنة.
• النظام الديناميكي الحراري: أي نظام مغلق يحتوي على تفاعلات وتبادلات للطاقة الحرارية.
• نظام معزول: نظام لا يستطيع تبادل الطاقة مع أي شيء خارجها.
• الطاقة الحرارية أو الطاقة الحرارية: هناك العديد من أشكال الطاقة المختلفة. من بينها الطاقة الحرارية ، وهي الطاقة المرتبطة بالحركة الحركية للجزيئات في النظام.
• جيبس الطاقة الحرة: جهد ديناميكي حراري يستخدم لتحديد الحد الأقصى لمقدار العمل القابل للعكس في النظام.
• السعة الحرارية محددة: مقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لتغيير درجة حرارة وحدة كتلة من مادة بمقدار 1 درجة. يعتمد على نوع المادة وهو رقم عادة ما يتم البحث عنه في الجداول.
• غاز مثالي: نموذج مبسط للغازات ينطبق على معظم الغازات عند درجة حرارة وضغط معياريين. يُفترض أن جزيئات الغاز نفسها تتصادم في تصادمات مرنة تمامًا. من المفترض أيضًا أن الجزيئات بعيدة جدًا عن بعضها البعض بحيث يمكن معاملتها مثل كتل نقطية.

هناك ثلاثة رئيسية قوانين الديناميكا الحرارية (يسمى القانون الأول والقانون الثاني والقانون الثالث) ولكن هناك أيضًا قانون صفري. يتم وصف هذه القوانين على النحو التالي:

ال القانون الصفري للديناميكا الحرارية هو على الأرجح الأكثر بديهية. تنص على أنه إذا كانت المادة أ في حالة توازن حراري مع المادة ب ، وكانت المادة ب في حالة حرارية التوازن مع المادة C ، ثم يلي ذلك أن المادة A يجب أن تكون في حالة توازن حراري مع مادة ج.

ال القانون الأول للديناميكا الحرارية هو في الأساس بيان لقانون الحفاظ على الطاقة. تنص على أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي الفرق بين الطاقة الحرارية المنقولة إلى النظام والعمل الذي يقوم به النظام على محيطه.

ال القانون الثاني للديناميكا الحرارية، يشار إليه أحيانًا بالقانون الذي يتضمن سهمًا للوقت - ينص على أن الانتروبيا الكلية في نظام مغلق يمكن أن تظل ثابتة أو تزيد مع تقدم الوقت. يمكن اعتبار الانتروبيا بشكل فضفاض كمقياس لاضطراب النظام ، ويمكن التفكير في هذا القانون من القول بشكل فضفاض أن "الأشياء تميل إلى الاختلاط معًا كلما هزتها ، بدلاً من فك الاختلاط. "

ال القانون الثالث للديناميكا الحرارية تنص على أن إنتروبيا النظام تقترب من قيمة ثابتة عندما تقترب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق. نظرًا لعدم وجود حركة جزيئية عند الصفر المطلق ، فمن المنطقي أن الانتروبيا لن تتغير عند هذه النقطة.

تستخدم الديناميكا الحرارية الميكانيكا الإحصائية. هذا فرع من فروع الفيزياء يطبق الإحصاء على كل من الفيزياء الكلاسيكية والكمية.

تسمح الميكانيكا الإحصائية للعلماء بالعمل مع الكميات العيانية بطريقة أكثر وضوحًا من الكميات المجهرية. ضع في اعتبارك درجة الحرارة ، على سبيل المثال. يتم تعريفه على أنه متوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة ما.

ماذا لو احتجت بدلاً من ذلك إلى تحديد الطاقة الحركية الفعلية لكل جزيء ، وأكثر من ذلك ، تتبع كل تصادم بين الجزيئات؟ سيكون من المستحيل تقريبًا إحراز أي تقدم. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام التقنيات الإحصائية التي تسمح بفهم درجة الحرارة والسعة الحرارية وما إلى ذلك كخصائص أكبر للمادة.

تصف هذه الخصائص متوسط ​​السلوك الذي يحدث داخل المادة. وينطبق الشيء نفسه على كميات مثل الضغط والإنتروبيا.

أ محرك حراري هو نظام ديناميكي حراري يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. المحركات البخارية هي مثال على المحرك الحراري. وهي تعمل باستخدام الضغط العالي لتحريك المكبس.

تعمل المحركات الحرارية على نوع من الدورة الكاملة. لديهم نوع من مصدر الحرارة ، والذي يسمى عادةً الحمام الحراري ، والذي يسمح لهم بالحصول على الطاقة الحرارية. تسبب هذه الطاقة الحرارية بعد ذلك نوعًا من التغيير الديناميكي الحراري داخل النظام ، مثل زيادة الضغط أو توسيع الغاز.

عندما يتمدد الغاز ، فإنه يعمل على البيئة. في بعض الأحيان يبدو هذا وكأنه يتسبب في تحرك مكبس في المحرك. في نهاية الدورة ، يتم استخدام حمام بارد لإعادة النظام إلى نقطة البداية.

تستهلك المحركات الحرارية طاقة حرارية ، وتستخدمها للقيام بعمل مفيد ، ثم تطلق أو تفقد بعض الطاقة الحرارية إلى البيئة أثناء العملية. ال نجاعة يتم تعريف المحرك الحراري على أنه نسبة ناتج العمل المفيد إلى صافي مدخلات الحرارة.

ليس من المستغرب أن يرغب العلماء والمهندسون في أن تكون محركاتهم الحرارية فعالة قدر الإمكان - لتحويل الكميات القصوى من مدخلات الطاقة الحرارية إلى عمل مفيد. قد تعتقد أن المحرك الحراري الأكثر كفاءة هو 100٪ ، لكن هذا غير صحيح.

في الواقع ، هناك حد أقصى لكفاءة المحرك الحراري. لا تعتمد الكفاءة فقط على نوع العمليات في الدورة ، حتى عندما يكون ذلك أفضل ما يمكن العمليات (تلك التي يمكن عكسها) ، يمكن أن يعتمد المحرك الحراري الأكثر كفاءة على الاختلاف النسبي في درجات الحرارة بين الحمام الحراري والحمام البارد.

هذه الكفاءة القصوى تسمى كفاءة كارنو ، وهي كفاءة دورة كارنو، وهي دورة محرك حراري تتكون من انعكاس كامل العمليات.

هناك العديد من التطبيقات للديناميكا الحرارية العمليات شوهد في الحياة اليومية. خذ ثلاجتك ، على سبيل المثال. تعمل الثلاجة من خلال دورة ديناميكية حرارية.

يقوم الضاغط أولاً بضغط بخار المبرد ، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط ويدفعه للأمام في ملفات موجودة على الجزء الخلفي الخارجي للثلاجة. إذا شعرت بهذه الملفات ، فسوف تشعر بالدفء عند لمسها.

يتسبب الهواء المحيط في تبريدها ، ويتحول الغاز الساخن مرة أخرى إلى سائل. يبرد هذا السائل عند ضغط عالٍ حيث يتدفق إلى ملفات داخل الثلاجة ، ويمتص الحرارة ويبرد الهواء. بمجرد أن يسخن بدرجة كافية ، يتبخر ويتحول إلى غاز مرة أخرى ويعود إلى الضاغط ، وتتكرر الدورة.

تعمل المضخات الحرارية ، التي يمكنها تدفئة منزلك وتبريده ، على نفس المبادئ.