ما هي الديناميكا الحرارية؟

الديناميكا الحرارية هي تخصص فيزيائي مخصص لدراسة الطاقة داخل الأنظمة الكبيرة. وبشكل أكثر تحديدًا ، تشرح الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحركية والنظام الكامنة للنظام بكمية الحرارة والعمل الذي يمكن للنظام إنتاجه. على مر السنين ، طور المهندسون وعلماء الرياضيات ، بمن فيهم إسحاق نيوتن وجيمس جول ، ثلاثة مبادئ عالمية للديناميكا الحرارية. تُعرف هذه باسم قوانين الديناميكا الحرارية.

يحدد قانون الديناميكا الحرارية المسمى "الصفر" مبدأ التوازن الديناميكي الحراري. يصف هذا ميل الطاقة داخل النظام إلى الانتشار بالتساوي في جميع أنحاء النظام. إذا قمت بتسخين قدر من الماء ، على سبيل المثال ، سيرتفع كل الماء الموجود في القدر في النهاية إلى درجة حرارة موحدة على الرغم من أنك قمت بتطبيق الحرارة فقط على قاع الإناء.

يوضح القانون الأول للديناميكا الحرارية ، أو قانون الحفاظ على الطاقة ، أن الطاقة داخل النظام لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. في أي نظام ، إجمالي الطاقة للنظام ، كما هو محدد بواسطة الطاقة الحركية والوضعية الموجودة في النظام ، دائمًا يساوي مقدار العمل الذي أنجزه النظام مطروحًا من كمية الحرارة المضافة إلى النظام. يشرح هذا القانون سبب وجوب الاستمرار في إضافة الغاز إلى سيارتك من أجل القيادة لمسافة أبعد. تقوم سيارتك بتحويل الطاقة الكامنة المخزنة في البنزين إلى حرارة وعمل.

يقيد القانون الثاني للديناميكا الحرارية نقل الطاقة داخل النظام. وفقًا للقانون ، من المستحيل نقل 100 في المائة من الطاقة المتاحة من جزء من النظام إلى آخر. يُعرف الميل لفقد الطاقة بالانتروبيا. في حالة محركات السيارات ، على سبيل المثال ، بغض النظر عن مدى كفاءة التصميم ، سيتم إهدار جزء من الطاقة الكامنة في البنزين في عملية الاحتراق بسبب الانتروبيا. يشرح هذا القانون أيضًا سبب استحالة استخدام آلات الحركة الدائمة فيزيائيًا.