ما هي الديناميكا الحرارية؟ وما هي قوانينها؟

ما هي الديناميكا الحرارية؟ وما هي قوانينها؟
ما هي الديناميكا الحرارية؟ وما هي قوانينها؟

ما هي الديناميكا الحرارية؟

تُعد الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamic) علماً يدرس الطاقة، وتحولها من شكل لآخر، وانتقالها من مكان لآخر؛ إذ إنّه يهتم بالعلاقة بين الحرارة، والطاقة، والشغل، ودرجة الحرارة، كما أنّه فرع مهم في كل من علم الفيزياء وعلم الكيمياء،[١][٢] كلمة الديناميكا الحرارية مشتقة مِن كلمتين أصلهما يوناني، الأولى ثيرم (thermé) وتعني الحرارة، والثانية ديناميكا (dynamics) وتعني القوة.[٣]

يجدر بالذكر أنّ فكرة؛ الحرارة شكل من أشكال الطاقة والتي تُعد إحدى الأفكار الأساسية لديناميكا الحرارية لم تُعرف حتى عام 1978م وكان ذلك على يدّ الفيزيائي بنيامين طومسون عندما لاحظ أنّ عملية حفر ثقب في منتصف المدفع الحربي يُنتج حرارة، وأنّ كمية هذه الحرارة تتناسب مع الشغل الذي أنجزه المثقاب.[٤][٢]


قوانين الديناميكا الحرارية

صيغة مبادئ الديناميكا الحرارية تتلخص في 4 قوانين أساسية، وفيما تأتي توضيح لكلٍ منها:[٥]

  • القانون الصفري: ينص على أنّه إذا كان هناك نظامان (أ) و(ب) في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، فإنّ النظام (أ) يكون في حالة توازن حراري مع النظام (ب) وهذه الخاصية تدل على أنّ درجة الحرارة خاصية أساسية ويُمكن قياسها للمادة.
  • القانون الأول: يخضع القانون الأول لمبدأ حِفظ الطاقة، بحيث أنّ الطاقة لا يُمكن تبديدها ولا تُخلق من العدم، وينص على أنّ إجمالي الزيادة في كمية طاقة نظام ما يُساوي الزيادة في كمية الطاقة الحرارية إضافة إلى العَمل المنجَز على ذلك النظام، وصيغ هذا القانون على يدّ العالم الرياضي والفيزيائي رودولف كلاوزيوس.[٥][٢]
  • القانون الثاني: ينص على أنّه لا يُمكن للطاقة الحرارية أن تنتقل من منطقة باردة وذات حرارة منخفضة إلى منطقة أكثر سخونة وذات حرارة مرتفعة دون إضافة طاقة ليُنجز هذا العمل،[٥] ويجدر بالذكر أنّ المهندس العسكري سعدي كارنو هو من طور الأساس الذي بُني عليه القانون الثاني للديناميكا الحرارية، حيث إنّه قدم في عام 1824م مبدأ الانعكاس ودورة المُحرك الحراري،[٢][٦] وصيغ هذا القانون لاحقاً على يدّ رودولف كلاوزيوس.[٢]
  • القانون الثالث: ينص على أنّ قيمة القصور الحراري للبلورة النقية عند درجة درجة حرارة الصفر المطلق تُساوي صفر؛ نظرًا لعدم وجود طاقة حرارية عند الصفر المطلق، ويُعد القصور الحراري (بالإنجليزية: Entropy) مقياسًا للعشوائية والفوضى في النظام، كما يجدر بالذكر أنّه لا يُوجد قيمة سالبة للقصور الحراري؛ فهو دائماً موجب.


تطبيقات على قوانين الديناميكا الحرارية

يُساهم علم الديناميكا الحرارية في العديد من التطبيقات التي تُستخدم في حياتنا اليَومية ومن أبرزها ما يأتي:[٧]

  • مكيف الهواء: يُعد مكيف الهواء مثالاً على تطبيق للقانون الثاني للديناميكا الحرارية؛ حيث إنّه عند ارتفاع درجة حرارة الجَو يُساهم المكيف في الحفاظ على برودة الغرفة، فإنّه يُحافظ على درجة حرارة منخفضة داخلها.
  • مضخة حرارية: تمتص المضخة الحرارة من الجو وتبَعثها للغُرفة للحفاظ عَلى الدفء، وتُعدّ تطبيقاً على القانون الثاني للديناميكا.
  • مقياس الحرارة: يُعدّ مقياس الحرارة المثال الأكثر شيوعًا للأدوات التي يعتمد في مبدأ عملها عَلى القانون الصِفري للديناميكا الحرارية، فإذا وضع مقياس الحرارة في سائِل ما سيحدث توازن حراري وتظهر قراءة معينة على المقياس، وإذا وضع في سائل آخر وظهرت نفس قراءة السائل الأول، حينها يمكن القول أنّ السائلين متماثلان في درجة الحرارة.[٨]
  • مضخة الدراجة: تُعد إحدى أهم الأمثلة على القانون الأول للديناميكا الحرارية، فعندما يُدفع مقبض الدراجة بسرعة يظهر ارتفاعًا في درجات الحرارة نتيجة للعمل الميكانيكي المُنجَز على الغاز؛ ممّا يؤدي إلى زيادة الطاقة الداخلية.[٩]
  • الثلاجات: يقوم مبدأ عمل الثلاجات على نَقل الحَرارة مِن داخلها إلى نظام خارجي وعادةً ما يكون هذا النظام هو المَطبخ، وبذلك تنخفض درجة الحرارة مما يَسمح للأطعمة بالبقاء في دَرجة حرارة ملائِمة، ويُعدّ هذا تطبيق للقانون الثاني لديناميكا الحرارة.[١٠][٧]
  • النظريات البيولوجية: تُعدّ قوانين الديناميكا الحرارية ذات أهمية بالغة في بيولوجيا الكائن الحي، فتُشكل بدورها نظرية الخلية، والجينات، والتطور، نظرًا لأن الكائنات الحية تتطلب العيش في نظام مُغلق مثل الكون للبقاء على قيد الحياة بحيث لا تُستهلك الطاقة فيه بل تتحول من شكل لآخر.[١١]
  • البناء الضوئي: تُؤدي الخلايا العديد من العمليات الحيوية المُهمة التي بدورها تتطلب طاقة، وفي عملية التَمثيل الضَوئي، تمتص الخلايا المَوجودة في أوراقِ النبات الطاقة الضَوئية من الشمس وتُحولها إلى طاقة كيميائية تُخزن عَلى شكل جلوكوز يُستخدم لاحقاً في تكوين الكربوهيدرات المعقدة التي تُسهم في بناء الخلايا النباتية.[١١]


أساسيات الديناميكا الحرارية

بُني عِلم الديناميكا الحرارية على عدد من المفاهيم والأساسيات، أهمها ما يأتي:[١٢]

  • كَمية الحرارة: (بالإنجليزية: Heat)؛ تُعرف الحرارة بأنّها الطاقة المَنقولة بينَ المواد نتيجة لاختلاف دَرجات الحرارة بينها، كَما تخضع لمبدأ حِفظ الطاقة، وتَعتمد كَمية الحرارة المنقولة بواسطة مادة ما على عدد وسرعة الجزيئات المُتحركة، فكلما كان عددها أكبر وكانت تتحرك بشكل أسرع كُلما زادت كمية الحرارة التي تنقلها.
  • درجة الحرارة: (بالإنجليزية: Temperature) تُمثل مقياسًا لمتوسط الطاقة الحَركية للجسيمات في مادة ما، ويُعبر عَنها بدرجات محددة في أيّ من المقاييس المتعددة، فيُعدّ مقياس السلسيوس (بالإنجليزية: Celsius) الأكثر شيوعًا، ويحمل قيمًا من 0° مئوية وهي نقطة تَجمد الماء إلى 100° مئوية والتي تُمثل درجة غليان الماء، كما ويستخدم العلماء في الحسابات مقياس كلفن (K) ، والذي يَبدأ مِن دَرجة الصفر المُطلق التي لا يَكون عندها أيّ وجود للطاقَة الحَركية، وتعادل -273.15°مئوية.
  • الحرارة النَوعية: (بالإنجليزية: Specific Heat)؛ وهي كمية الحرارة اللازمة لزيادة درجة حرارة كتلة محددة من مادة ما، تُقاس بوحدة سعرة حرارية لكل جرام لكل كلفن، حيث تُمثل السُعرة الحرارية كَمية الطاقة اللازمة لرفع دَرجة حرارة 1 جرام مِن الماء بمقدار دَرجة واحدة عِند 4 درجة مئوية.[١٣]
  • الموصلية الحرارية: (بالإنجليزية: Thermal Conductivity)، تُعرف الموصلية الحرارية بكمية الحرارة المتدفقة لكُل وحدة زمنية عَبر مادة ما بمقدار درجة واحدة لكل وحدة مسافة وتُقاس بوحدة واط لكل متر لكل كلفن، كما يُعبر عن الموصلية الحرارية برمز (K).[١٣]
  • السعة الحرارية: (بالإنجليزية: Heat Capacity)؛ وهي نسبة التغير في الطاقة إلى التغير في دَرجة الحَرارة، وتُشير إلى سهولة تسخين المادة، فعادة ما تكون السعة الحرارية مُنخفضة للموصل الحراري الجيد.[١٤]
  • النظام الديناميكي الحراري: (بالإنجليزية: Thermodynamic system)؛ ويُمثل منطقة بحجم مَحدود تتركز عليها الدراسة بالديناميكا الحرارية، ويُطلق على كُل شيء خارج تلك المنطِقة اسم المُحيط (بالإنجليزية: Surrounding)، ويُفصل بين النِظام والمُحيط بما يُعرف بالحدود (بالإنجليزية: Boundary)، والتي لا تَحتوي عَلى أيّ مادة لامتلاكها سماكة تساوي صِفر، ويشمل النِظام الديناميكي الحراري 3 أنواع كالآتي:[١٥]
    • النِظام المَفتوح: يتبادَل النظام المفتوح الحَرارة والكُتلة مَع المُحيط مِن خلال انتقالهما عَبر الحدود، مثل انتقال الحَرارة في فنجان قَهوة ساخِن.
    • النظام المُغلق: يتبادل النظام المُغلق الحرارة فقط مع المُحيط دون السماح للكتلة بالعبور، كوعاء الماء المغلي المحكم إغلاقه بغطاء.
    • النظام المعزول: يُعدّ النظام المعزول نظاماً لا يُسمح لأي من الحرارة أو الكتلة بالعبور عبر الحدود، ويُعدّ إناء حفظ السوائل مثالاً جيداً على ذلك.
  • العملية الديناميكية الحرارية: يُمكن القول أنّ النظام يَخضع لعملية ديناميكية حرارية، عندما يحدث تغير نشط داخل النظام فيما يتعلق بالحجم، والضغط، والطاقة الداخلية، وللعمليات الديناميكية 4 أنواع رئيسة كالآتي:[١٦]
    • عملية كظومة: (بالإنجليزية: Adiabatic)؛ وهي العملية التي لا يَحدث فيها أيّ انتقال للحرارة من وإلى النظام.
    • عملية متساوية الحجم: (بالإنجليزية: Isochoric)؛ وهي العملية التي يقوم فيها النظام بأيّ شغل، أيّ أنّ الشغل المبذول من النظام يساوي صفر، نتيجة لعدم حدوث أيّ تغير في الحجم.
    • عملية متساوية الضَغط: (بالإنجليزية: Isobaric)؛ وهي العملية التي تتم تَحت ضغط ثابِت لا يتَغير.
    • عملية متساوية الحَرارة: (بالإنجليزية: Isothermal)؛ وهي العملية التي لا تتغير فيها دَرجة الحَرارة وتبقى ثابتة.


الفروع المختلفة للديناميكا الحرارية

تُصنف الديناميكا الحرارية إلى 4 فروع رئيسية، وفيما يأتي نبذة عن كل منها:[١٧]

  • الديناميكا الحرارية الكلاسيكية: (بالإنجليزية: Classical Thermodynamics)؛ تُحلل سلوك جسيمات المادة وتفاعلاتها بأسلوب مِجهري؛ حيث تُؤخذ وحدات من درجة الحرارة والضغط بعين الاعتبار ممّا يُساعد الأفراد على التنبؤ بالخصائص الأخرى للمادة التي تَخضع للدراسة.
  • الديناميكا الحرارية الإحصائية: (بالإنجليزية: Statistical Thermodynamics)؛ والتي تَصف سلوك مَجموعة من الجزيئات عَن طريق دراسة خصائِص كُل جزيء مِنها والطرق التي تتفاعل بِها.
  • الديناميكا الحرارية الكيميائية: (بالإنجليزية: Chemical Thermodynamics)؛ والتي تدرس العلاقة بين الشغل والحرارة في كل من التفاعلات الكيميائية، والتغير في حالات المادة.
  • الديناميكا الحرارية للتوازن: (بالإنجليزية: Equilibrium Thermodynamics) والتي يُدرس فيها  تحولات الطاقة كلما اقتربت مِن حالة التوازن.

المراجع[+]

  1. "Thermodynamics article", khanacademy, Retrieved 13/6/2021.
  2. ^ أ ب ت ث ج Gordon Drake (1/6/2021), "thermodynamics", britannica, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  3. "THERMODYNAMICS", thermopedia, Retrieved 16/6/2021. Edited.
  4. "History of Thermodynamics", graylark, 4/5/2014, Retrieved 15/6/2021. Edited.
  5. ^ أ ب ت Jim Lucas (8/5/2015), "?What Is Thermodynamics", livescience, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  6. "Carnot Cycle", chem.libretexts, 16/9/2020, Retrieved 15/6/2021. Edited.
  7. ^ أ ب "Applications of Second Law of Thermodynamics", bright hub engineering, 2008-08-13, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  8. Meredith Fore (28/12/2020), "Zeroth Law of Thermodynamics: Definition, Formula & Examples", sciencing, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  9. "First law of thermodynamics example", physicsabout, 8/9/2019, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  10. "The Second Law of Thermodynamics", courses lumen learning, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  11. ^ أ ب Regina Bailey (29/7/2019), "Laws of Thermodynamics as Related to Biology", thoughtco, Retrieved 14/6/2021. Edited.
  12. Jim Lucas (8/5/2015), "What Is Thermodynamics?", livescience, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  13. ^ أ ب Jim Lucas (8/5/2015), "What Is Thermodynamics?", livescience, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  14. Andrew Jones (7/5/2019), "An Overview of Thermodynamics", thoughtco, Retrieved 14/6/2021. Edited.
  15. ClubTechnical (10/3/2019), "Thermodynamic System and Surrounding | Boundary | Types", clubtechnical, Retrieved 13/6/2021. Edited.
  16. "Thermodynamics", byjus, Retrieved 14/6/2021. Edited.
  17. "Thermodynamics", byjus, Retrieved 13/6/2021. Edited.

84 مشاهدة