يتعامل فرع العلم المسمى بالديناميكا الحرارية مع الأنظمة القادرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى شكل آخر على الأقل من أشكال الطاقة (الميكانيكية والكهربائية وما إلى ذلك) أو إلى العمل، لكن ما هي قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة؟
تم تطوير قوانين الديناميكا الحرارية على مر السنين باعتبارها من أكثر القواعد الأساسية التي يتم اتباعها عندما يمر النظام الديناميكي الحراري بنوع من تغيير الطاقة.
تاريخ الديناميكا الحرارية.
يبدأ تاريخ الديناميكا الحرارية مع Otto von Guericke الذي بنى في عام 1650 أول مضخة فراغ في العالم وأظهر فراغًا باستخدام نصفي كرة Magdeburg.
كان Guericke مدفوعًا لإحداث فراغ لدحض افتراض أرسطو الراسخ منذ فترة طويلة بأن “الطبيعة تمقت الفراغ”.
بعد وقت قصير من علم جيريك الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي روبرت بويل بتصميمات جيريك، وفي عام 1656، بالتنسيق مع العالم الإنجليزي روبرت هوك، صنع مضخة هواء.
باستخدام هذه المضخة، لاحظ بويل و هوك وجود علاقة بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم. بمرور الوقت، تمت صياغة قانون بويل، والذي ينص على أن الضغط والحجم يتناسبان عكسياً.
تأثير قوانين الديناميكا الحرارية.
تميل قوانين الديناميكا الحرارية إلى أن يكون من السهل تحديدها وفهمها. لدرجة أنه من السهل التقليل من تأثيرها. من بين أمور أخرى، وضعوا قيودًا على كيفية استخدام الطاقة في الكون.
سيكون من الصعب للغاية المبالغة في التأكيد على مدى أهمية هذا المفهوم. تمس نتائج قوانين الديناميكا الحرارية تقريبًا كل جانب من جوانب البحث العلمي بطريقة ما.
المفاهيم الأساسية لفهم قوانين الديناميكا الحرارية.
لفهم قوانين الديناميكا الحرارية، من الضروري فهم بعض مفاهيم الديناميكا الحرارية الأخرى التي تتعلق بها. هنا سنلقي نظرة على:
- نظرة عامة على الديناميكا الحرارية – نظرة عامة على المبادئ الأساسية لمجال الديناميكا الحرارية
- الطاقة الحرارية – تعريف أساسي للطاقة الحرارية
- درجة الحرارة – تعريف أساسي لدرجة الحرارة
- مقدمة في نقل الحرارة – شرح لمختلف طرق نقل الحرارة.
- العمليات الديناميكية الحرارية – تنطبق قوانين الديناميكا الحرارية في الغالب على العمليات الديناميكية الحرارية، عندما يمر النظام الديناميكي الحراري بنوع من النقل النشط.
تطوير قوانين الديناميكا الحرارية.
بدأت دراسة الحرارة كشكل متميز من الطاقة في عام 1798 تقريبًا عندما لاحظ المهندس العسكري البريطاني السير بنيامين طومسون (المعروف أيضًا باسم الكونت رومفورد) أن الحرارة يمكن أن تتولد بما يتناسب مع مقدار العمل المنجز. المفهوم الذي سيصبح في النهاية نتيجة للقانون الأول للديناميكا الحرارية.
صاغ الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو مبدأ أساسيًا للديناميكا الحرارية لأول مرة في عام 1824. المبادئ التي استخدمها كارنو لتعريف محركه الحراري لدورة كارنو ستُترجم في النهاية إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية بواسطة الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس، الذي كثيرًا ما يُنسب إليه الفضل في الصياغة، للقانون الأول للديناميكا الحرارية.
كان جزء من سبب التطور السريع للديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر هو الحاجة إلى تطوير محركات بخارية فعالة خلال الثورة الصناعية.
النظرية الحركية وقوانين الديناميكا الحرارية.
لا تهتم قوانين الديناميكا الحرارية بشكل خاص بالكيفية المحددة لانتقال الحرارة ولماذا، وهو أمر منطقي للقوانين التي تمت صياغتها قبل اعتماد النظرية الذرية بالكامل.
إنها تتعامل مع المجموع الكلي للطاقة والتحولات الحرارية داخل النظام ولا تأخذ في الاعتبار الطبيعة المحددة لانتقال الحرارة على المستوى الذري أو الجزيئي.
0. القانون الصفري للديناميكا الحرارية.
هذا القانون الصفري هو نوع من الخاصية متعدية للتوازن الحراري. تقول الخاصية متعدية للرياضيات أنه إذا كان A = B و B = C، فإن A = C.
ينطبق الشيء نفسه على الأنظمة الديناميكية الحرارية التي تكون في حالة توازن حراري.
إحدى نتائج قانون الصفر هي فكرة أن قياس درجة الحرارة له أي معنى على الإطلاق. من أجل قياس درجة الحرارة، يجب الوصول إلى التوازن الحراري بين مقياس الحرارة ككل، والزئبق داخل ميزان الحرارة، والمادة التي يتم قياسها. وهذا بدوره يؤدي إلى القدرة على تحديد درجة حرارة المادة بدقة.
تم فهم هذا القانون دون ذكره صراحة من خلال الكثير من تاريخ دراسة الديناميكا الحرارية، وتم إدراك أنه كان قانونًا بحد ذاته في بداية القرن العشرين.
كان الفيزيائي البريطاني رالف إتش فاولر هو أول من صاغ مصطلح “القانون الصفري”، بناءً على الاعتقاد بأنه أكثر جوهرية حتى من القوانين الأخرى.
1. القانون الأول للديناميكا الحرارية.
على الرغم من أن هذا قد يبدو معقدًا، إلا أنه حقًا فكرة بسيطة للغاية. إذا أضفت حرارة إلى نظام ما، فهناك شيئان فقط يمكن القيام بهما – تغيير الطاقة الداخلية للنظام أو جعل النظام يقوم بالعمل (أو بالطبع مزيج من الاثنين).
يجب أن تذهب كل الطاقة الحرارية للقيام بهذه الأشياء.
التمثيل الرياضي للقانون الأول.
يستخدم الفيزيائيون عادة اصطلاحات موحدة لتمثيل الكميات في القانون الأول للديناميكا الحرارية. هم:
- U1 (أو Ui) = الطاقة الداخلية الأولية في بداية العملية.
- U2 (أو Uf) = الطاقة الداخلية النهائية في نهاية العملية.
- delta-U = U2 – U1 = تغيير في الطاقة الداخلية (تُستخدم في الحالات التي تكون فيها تفاصيل الطاقات الداخلية في البداية والنهاية غير ذات صلة).
- Q = تنتقل الحرارة إلى (س> 0) أو خارج (س> 0) النظام.
- W = العمل الذي يقوم به النظام (W> 0) أو على النظام (W <0).
ينتج عن هذا تمثيل رياضي للقانون الأول والذي يثبت أنه مفيد للغاية ويمكن إعادة كتابته بطريقتين مفيدتين:
يتضمن تحليل العملية الديناميكية الحرارية، على الأقل في حالة الفصل الدراسي للفيزياء. بشكل عام تحليل حالة تكون فيها إحدى هذه الكميات إما 0 أو على الأقل يمكن التحكم فيها بطريقة معقولة.
على سبيل المثال، في عملية ثابتة الحرارة، يكون انتقال الحرارة (Q) مساويًا لـ 0 بينما في عملية متساوية الصدأ، يكون العمل (W) مساويًا لـ 0.
القانون الأول والحفاظ على الطاقة.
ينظر الكثيرون إلى القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه أساس مفهوم الحفاظ على الطاقة. تقول بشكل أساسي أن الطاقة التي تدخل إلى النظام لا يمكن أن تضيع على طول الطريق، ولكن يجب استخدامها للقيام بشيء ما.
في هذه الحالة، إما تغيير الطاقة الداخلية أو أداء العمل. من وجهة النظر هذه، يعد القانون الأول للديناميكا الحرارية أحد أكثر المفاهيم العلمية التي تم اكتشافها بعيدًا.
2. القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية: تمت صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية بعدة طرق. لكنه في الأساس قانون – على عكس معظم القوانين الأخرى في الفيزياء – لا يتعامل مع كيفية القيام بشيء ما، بل يتعامل بشكل كامل مع الوضع.
إنه قانون يقول إن الطبيعة تمنعنا من الحصول على أنواع معينة من النتائج دون بذل الكثير من الجهد فيها، وبالتالي فهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الحفاظ على الطاقة، مثل القانون الأول للديناميكا الحرارية.
في التطبيقات العملية، يعني هذا القانون أن أي محرك حراري أو جهاز مشابه يعتمد على مبادئ الديناميكا الحرارية لا يمكن، حتى من الناحية النظرية، أن يكون فعالاً بنسبة 100٪.
تم إلقاء الضوء على هذا المبدأ لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي والمهندس سادي كارنو. حيث طور محرك دورة كارنو في عام 1824، وتم إضفاء الطابع الرسمي عليه لاحقًا كقانون للديناميكا الحرارية من قبل الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس.
الانتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
ربما يكون القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو الأكثر شيوعًا خارج عالم الفيزياء لأنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الانتروبيا أو الاضطراب الناتج أثناء عملية الديناميكا الحرارية.
أعيدت صياغته كبيان يتعلق بالإنتروبيا، حيث يقرأ القانون الثاني: في أي نظام مغلق، بعبارة أخرى، في كل مرة يمر فيها النظام بعملية ديناميكية حرارية، لا يمكن للنظام أبدًا العودة تمامًا إلى نفس الحالة التي كان عليها من قبل.
هذا أحد التعريفات المستخدمة لسهم الزمن لأن إنتروبيا الكون ستزداد دائمًا بمرور الوقت وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.
صيغ القانون الثاني الأخرى.
- من المستحيل إجراء تحويل دوري تكون نتيجته النهائية الوحيدة هي تحويل الحرارة المستخرجة من مصدر بنفس درجة الحرارة طوال الوقت إلى عمل. حسب الفيزيائي الاسكتلندي ويليام طومسون.
- من المستحيل إجراء تحول دوري نتيجته النهائية الوحيدة هي نقل الحرارة من جسم عند درجة حرارة معينة إلى جسم عند درجة حرارة أعلى. حسب الفيزيائي الألماني رودولف كلاوسيوس
جميع الصيغ المذكورة أعلاه للقانون الثاني للديناميكا الحرارية هي بيانات مكافئة لنفس المبدأ الأساسي.
إقرأ أيضاً… ما هي أشكال الطاقة؟ مع أمثلة عليها.
3. القانون الثالث للديناميكا الحرارية.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية هو في الأساس بيان حول القدرة على إنشاء مقياس درجة حرارة مطلقة، حيث يكون الصفر المطلق هو النقطة التي تكون عندها الطاقة الداخلية للمادة الصلبة بالضبط 0.
توضح المصادر المختلفة الصيغ الثلاثة التالية للقانون الثالث للديناميكا الحرارية:
- من المستحيل اختزال أي نظام إلى الصفر المطلق في سلسلة محدودة من العمليات.
- تميل إنتروبيا بلورة كاملة لعنصر في أكثر صوره ثباتًا إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق.
- عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق، تقترب إنتروبيا النظام من الثابت.
ماذا يعني القانون الثالث؟
القانون الثالث يعني بعض الأشياء، ومرة أخرى كل هذه الصيغ تؤدي إلى نفس النتيجة اعتمادًا على مقدار ما تأخذه في الاعتبار:
تحتوي الصيغة 3 على أقل قدر من القيود، حيث تنص فقط على أن الانتروبيا تذهب إلى ثابت. في الواقع، هذا الثابت هو صفر إنتروبيا (كما هو مذكور في الصيغة 2).
ومع ذلك، نظرًا للقيود الكمومية على أي نظام فيزيائي، فإنه سينهار إلى أدنى حالة كمومية له ولكنه لن يكون قادرًا على الاختزال تمامًا إلى 0 إنتروبيا. لذلك من المستحيل تقليل نظام فيزيائي إلى الصفر المطلق في عدد محدود من الخطوات (والتي ينتج لنا الصيغة 1).