الديناميكا الحرارية هي فرع مهم من فروع الفيزياء. يمكننا أن نقول بأمان أن إنجازاتها أدت إلى ظهور العصر التكنولوجي وحددت إلى حد كبير مسار تاريخ البشرية على مدى 300 عام الماضية. يناقش المقال القوانين الأول والثاني والثالث للديناميكا الحرارية وتطبيقها عمليًا.
ما هي الديناميكا الحرارية؟
قبل صياغة قوانين الديناميكا الحرارية ، دعونا نتعرف على ما يفعله هذا القسم من الفيزياء.
كلمة "الديناميكا الحرارية" من أصل يوناني وتعني "الحركة بسبب الحرارة". أي أن هذا الفرع من الفيزياء يشارك في دراسة أي عمليات ، ونتيجة لذلك تتحول الطاقة الحرارية إلى حركة ميكانيكية والعكس صحيح.
تمت صياغة القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية في منتصف القرن التاسع عشر. يأخذ علم "الحركة والحرارة" في الاعتبار سلوك النظام بأكمله ، ويدرس التغيير في معاييره العيانية - درجة الحرارة والضغط والحجم ، ولا يلتفت إلى بنيته المجهرية. علاوة على ذلك ، يلعب أولهم دورًا أساسيًا في صياغة القوانينالديناميكا الحرارية في الفيزياء. من الغريب أن نلاحظ أنها مشتقة فقط من الملاحظات التجريبية.
مفهوم النظام الديناميكي الحراري
يعني أي مجموعة من الذرات أو الجزيئات أو العناصر الأخرى التي تعتبر ككل. تمت صياغة القوانين الثلاثة لما يسمى بالنظام الديناميكي الحراري. الأمثلة هي: الغلاف الجوي للأرض ، أي كائن حي ، خليط الغازات في محرك احتراق داخلي ، إلخ.
تنتمي جميع أنظمة الديناميكا الحرارية إلى ثلاثة أنواع:
- مفتوح. يتبادلون الحرارة والمادة مع البيئة. على سبيل المثال ، إذا تم طهي الطعام في قدر على نار مفتوحة ، فهذا مثال حي على النظام المفتوح ، حيث يستقبل القدر الطاقة من البيئة الخارجية (النار) ، بينما يشع هو نفسه الطاقة على شكل حرارة ، والماء ايضا يتبخر منه (التمثيل الغذائي).
- مغلق. في مثل هذه الأنظمة لا يوجد تبادل للمادة مع البيئة ، على الرغم من حدوث تبادل للطاقة. بالعودة للحالة السابقة: اذا غطيت الغلاية بغطاء يمكنك الحصول على نظام مغلق
- معزولة. هذا نوع من الأنظمة الديناميكية الحرارية التي لا تتبادل المادة أو الطاقة مع الفضاء المحيط. مثال على ذلك ترمس يحتوي على شاي ساخن.
درجة الحرارة الديناميكية الحرارية
هذا المفهوم يعني الطاقة الحركية للجزيئات التي تشكل الأجسام المحيطة والتي تعكس السرعةالحركة العشوائية للجسيمات. كلما زاد حجمها ، ارتفعت درجة الحرارة. وفقًا لذلك ، من خلال تقليل الطاقة الحركية للنظام ، نقوم بتبريده.
هذا المفهوم يعني الطاقة الحركية للجسيمات التي تشكل الأجسام المحيطة ، مما يعكس سرعة الحركة الفوضوية للجسيمات. كلما زاد حجمها ، ارتفعت درجة الحرارة. وفقًا لذلك ، من خلال تقليل الطاقة الحركية للنظام ، نقوم بتبريده.
يتم التعبير عن درجة الحرارة الديناميكية الحرارية في SI (النظام الدولي للوحدات) في كلفن (تكريما للعالم البريطاني ويليام كلفن ، الذي اقترح هذا المقياس لأول مرة). من المستحيل فهم القوانين الأولى والثانية والثالثة للديناميكا الحرارية بدون تعريف لدرجة الحرارة.
تقسيم درجة واحدة على مقياس كلفن يتوافق أيضًا مع درجة واحدة مئوية. يتم التحويل بين هذه الوحدات وفقًا للصيغة: TK=TC+ 273 ، 15 ، حيث TKو TC- درجات الحرارة بالكلفن والدرجات المئوية على التوالي.
خصوصية مقياس كلفن هو أنه لا يحتوي على قيم سالبة. الصفر فيه (TC=-273 ، 15oC) يتوافق مع الحالة التي تكون فيها الحركة الحرارية لجزيئات النظام غائبة تمامًا ، يبدو أنها "مجمدة".
حفظ الطاقة والقانون الأول للديناميكا الحرارية
في عام 1824 ، قدم نيكولا ليونارد سادي كارنو ، المهندس والفيزيائي الفرنسي ، اقتراحًا جريئًا لم يؤد فقط إلى تطوير الفيزياء ، بل أصبح أيضًا خطوة رئيسية في تحسين التكنولوجيا. لهيمكن صياغتها على النحو التالي: "لا يمكن إنشاء الطاقة أو إتلافها ، بل يمكن نقلها فقط من حالة إلى أخرى".
في الواقع ، فإن عبارة سادي كارنو تفترض قانون الحفاظ على الطاقة ، الذي شكل أساس القانون الأول للديناميكا الحرارية: "عندما يستقبل النظام الطاقة من الخارج ، فإنه يحولها إلى أشكال أخرى ، أهمها وهي حرارية وميكانيكية."
تتم كتابة الصيغة الرياضية للقانون الأول على النحو التالي:
Q=ΔU + A ،
هنا Q هو مقدار الحرارة المنقولة من البيئة إلى النظام ، ΔU هو التغيير في الطاقة الداخلية لهذا النظام ، A هو العمل الميكانيكي المثالي.
عمليات Adiabatic
وخير مثال على ذلك هو حركة الكتل الهوائية على طول المنحدرات الجبلية. هذه الكتل ضخمة (كيلومترات أو أكثر) ، والهواء عازل حراري ممتاز. تسمح لنا الخصائص المذكورة بالنظر في أي عمليات ذات كتل هوائية تحدث في وقت قصير على أنها ثابتة ثابتة. عندما يرتفع الهواء فوق منحدر جبلي ، ينخفض ضغطه ، يتمدد ، أي يؤدي عملًا ميكانيكيًا ، ونتيجة لذلك ، يبرد. على العكس من ذلك ، فإن الحركة الهبوطية للكتلة الهوائية يصاحبها زيادة في الضغط فيها ، فهي تنضغط ، ونتيجة لذلك تصبح شديدة السخونة.
تطبيق قانون الديناميكا الحرارية ، الذي تمت مناقشته في العنوان الفرعي السابق ، يمكن توضيحه بسهولة أكبر باستخدام مثال عملية ثابتة الحرارة.
حسب التعريف ، ونتيجة لذلك لا يوجد تبادل للطاقة معهاالبيئة ، أي في المعادلة أعلاه ، Q=0. وهذا يؤدي إلى التعبير التالي: ΔU=-A. تعني علامة الطرح هنا أن النظام يؤدي عملاً ميكانيكيًا عن طريق تقليل طاقته الداخلية. وتجدر الإشارة إلى أن الطاقة الداخلية تعتمد بشكل مباشر على درجة حرارة النظام.
اتجاه العمليات الحرارية
تتناول هذه القضية القانون الثاني للديناميكا الحرارية. بالتأكيد لاحظ الجميع أنه إذا قمت بإحضار جسمين بدرجات حرارة مختلفة على اتصال ، فسيتم تسخين الجسم البارد دائمًا ، وسيبرد الجسم الساخن. لاحظ أن العملية العكسية يمكن أن تحدث في إطار القانون الأول للديناميكا الحرارية ، لكن لا يتم تطبيقه في الممارسة.
سبب عدم رجوع هذه العملية (وجميع العمليات المعروفة في الكون) هو انتقال النظام إلى حالة أكثر احتمالية. في المثال المدروس مع ملامسة جسمين بدرجات حرارة مختلفة ، ستكون الحالة الأكثر احتمالية هي الحالة التي يكون فيها لجميع جزيئات النظام نفس الطاقة الحركية.
يمكن صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية على النحو التالي: "لا يمكن أبدًا نقل الحرارة تلقائيًا من الجسم البارد إلى الجسم الساخن." إذا قدمنا مفهوم الانتروبيا كمقياس للاضطراب ، فيمكن تمثيله على النحو التالي: "أي عملية ديناميكية حرارية تتقدم مع زيادة في الانتروبيا".
المحرك الحراري
يُفهم هذا المصطلح على أنه نظام يمكنه ، بسبب إمداده بالطاقة الخارجية ، أداء عمل ميكانيكي. أولاًكانت المحركات الحرارية عبارة عن محركات بخارية وتم اختراعها في نهاية القرن السابع عشر.
يلعب القانون الثاني للديناميكا الحرارية دورًا حاسمًا في تحديد فعاليتها. أثبت سادي كارنو أيضًا أن الكفاءة القصوى لهذا الجهاز هي: الكفاءة=(T2- T1) / T2، هنا T2و T1هي درجات حرارة السخان والثلاجة. لا يمكن تنفيذ العمل الميكانيكي إلا عندما يكون هناك تدفق للحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد ، ولا يمكن تحويل هذا التدفق بنسبة 100٪ إلى طاقة مفيدة.
يوضح الشكل أدناه مبدأ تشغيل المحرك الحراري (Qabs- نقل الحرارة إلى الجهاز ، Qced- فقدان الحرارة ، W - عمل مفيد ، P و V - ضغط وحجم الغاز في المكبس).
الصفر المطلق وافتراض نيرنست
أخيرًا ، دعنا ننتقل إلى دراسة القانون الثالث للديناميكا الحرارية. ويسمى أيضًا مسلمة نيرنست (اسم الفيزيائي الألماني الذي صاغها لأول مرة في بداية القرن العشرين). يقول القانون: "لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق بعدد محدود من العمليات". أي أنه من المستحيل بأي شكل من الأشكال "تجميد" جزيئات وذرات مادة ما بشكل كامل. والسبب في ذلك هو التبادل الحراري المستمر مع البيئة.
أحد الاستنتاجات المفيدة المستمدة من القانون الثالث للديناميكا الحرارية هو أن الإنتروبيا تتناقص كلما تحرك المرء نحو الصفر المطلق. هذا يعني أن النظام يميل إلى تنظيم نفسه. هذه الحقيقة يمكناستخدم ، على سبيل المثال ، لنقل البارامغناطيس إلى حالة مغناطيسية حديدية عند التبريد.
من المثير للاهتمام ملاحظة أن أدنى درجة حرارة تم الوصول إليها حتى الآن هي 5 · 10−10K (2003 ، مختبر MIT ، الولايات المتحدة الأمريكية).
