ديناميكا حرارية
| الديناميكا الحرارية |
| فروع الديناميكا الحرارية |
| ترموديناميك الغلاف الجوي | ترموديناميك بيولوجي | ترموديناميك الثقب الأسود | ترموديناميك كيميائي | ترموديناميك كلاسيكي | ترموديناميك التوازن | ترموديناميك اللاتوازن | ترموديناميك الظاهراتي | ديناميات نفسية | ترموديناميك كمومي | ترموديناميك إحصائي |
| قوانين الديناميكا الحرارية |
| القانون الصفري | القانون الأول | القانون الثاني | القانون الثالث |
| العمليات الديناميكية الحرارية |
| عملية متساوية الضغط | عملية متساوية الحرارة | أديباتية | عملية متساوية الأنتالبية |
| مصطلحات |
| نظام ديناميكي حراري | حالة ديناميكية حرارية | نظام مغلق | نظام مفتوح | دورة ديناميكية حرارية |
| خواص ترموديناميكية للسوائل |
|
الديناميكا الحرارية أو التحريك الحراري أو الثرموديناميك (باللاتينية: Thermodynamica) تعبر عن أحد فروع الميكانيكا الإحصائية الذي يدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة خصوصا وتحولاته إلى أوجه أخرى من الطاقة. يقوم هذا العلم باستخدام الميكانيكا الإحصائية لصياغة القوانين التي تحكم تحول الطاقة من وجه إلى آخر، والاتجاه الذي تفضله الطاقة الحرارية في انتقالها، والطاقة المتاح تحويلها إلى عمل.
معظم هذه الدراسات تعتمد على فكرة أن أي نظام معزول في أي مكان من الكون يحتوي على كمية فيزيائية قابلة للقياس تسمى الطاقة الداخلية للنظام ويرمز لها بالرمز (U). وتمثل هذه الطاقة الداخلية مجموع الطاقة الكامنة والطاقة الحركية للذرات والجزيئات ضمن النظام، أي جميع الأنماط التي يمكن أن تنتقل مباشرة كالحرارة، وبذلك تستثنى الطاقة الكيميائية (المختزنة في الروابط الكيميائية) أو الطاقة النووية (الموجودة في نوى الذرات) باعتبارها أنماط طاقية لا يمكن نقلها ضمن الشروط الطبيعية. تبقى الطاقة الداخلية (U) ثابتة حتى يفك عزل النظام فيصبح قادراً على تبادل الطاقة أو المادة منه وإليه، عندئذ يمكن للطاقة الداخلية أن تتغير عن طريق انتقال المادة أو انتقال الحرارة أو إنجاز عمل.
أصل الكلمة
المصطلح في اللغات الأوروبية (باللاتينية: Thermodynamica) مأخوذ من الأصول اليونانية θέρμη أي حرارة و δύναμις أي طاقة، وتترجم إلى الديناميكا الحرارية.
تمهيد
في أواخر القرن الثامن عشر ظهر علم الديناميكا الحرارية كعلم بدرس تحول الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي، واستنادا إلى ذلك وضعت الأسس النظرية لعمل الآلات الحرارية. غير أن التطور المستمر في المحركات الحرارية أعطى علم الديناميكا الحرارية أهمية كبيرة تخطت حدود الهندسة الحرارية لتلقى استخداما واسعا في فروع مختلفة من العلوم الأساسية كالفيزياء والكيمياء. والديناميكا الحرارية الحديثة هو العلم الذي يتطرق إلى دراسة قوانين التحولات المتبادلة لمختلف أشكال الطاقة، كما ويعالج العمليات أو الظواهر التي تحدث في الطبيعة من خلال تحول الطاقة من شكل إلى آخر. وتختلف الديناميكا الحرارية عن الفيزياء والكيمياء بأنها لا تستند إلى أي نموذج لبناء المادة، كما لا ترتبط بأي تصور عن البنية الجزيئية لهذه المادة، ولكنه يعتمد على القوانين العانى التي توصل إليها تجريبيا.[١]
وعلم الديناميكا الحرارية يرتكز على ثلاث قوانين تجريبية ومعادلة الحالة[١]:
- القانون الأول، أو المبدأ الأول في الديناميكا الحرارية، أو قانون حفظ وتحول الطاقة.
- القانون الثاني، أو المبدأ الثاني في الديناميكا الحرارية، ويبين اتجاه الظواهر الطبيعية التي تحدث في الطبيعة.
- القانون الثالث، أو المبدأ الثالث في الديناميكا الحرارية، ويؤكد عدم بلوغ الصفر المطلق لدرجة الحرارة.
وتعطي الديناميكا الحرارية وصفا شاملا للعمليات والظواهر التي تحدث في الطبيعة وفي مجال الصناعة إذ أنه لا يكشف آلية هذه الظواهر، كما لا يجيب عن السؤال لماذا تحدث هذه العملية على هذا النحو بالذات، فأسباب حدوث هذه الظواهر والعمليات تطرحها نظرية الحركة الجزيئية للغازات.[١]
يهتم علم الديناميكا الحرارية -كما يدل الاسم- بالحرارة أو الطاقة الحرارية بالدرجة الأولى وبكل الظواهر التي تظهر أو تتعلق بهذه الطاقة كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر أو كيفية تخزين هذه الطاقة أو توليدها. يقوم علم الديناميكا الحرارية على أربعة قوانين كبرى وهي القانون صفر (أو القانون الرابع) والقانون الأول والقانون الثاني والقانون الثالث.
تطور الديناميكا الحرارية
ساهم في تطور هذا العلم رودولف كلوسيوس و ويليام طمسون و ويليم رانكين
المفاهيم الأساسية
المفاهيم الأساسية في الديناميكا الحرارية هي كمية الحرارة ودرجة الحرارة والحرارة النوعية والسعة الحرارية. وتعد مختلف أشكال الجمل الدينامية الحرارية موضوع الدراسة الذي تتعرض له الديناميكا الحرارية.
الجملة الدينامية الحرارية
- طالع أيضاً: جملة دينامية حرارية
هي جسم أو مجموعة من الأجسام المادية التي تتبادل الطاقة والمادة فيما بينها أو مع الأجسام المادية المحيطة بها والواقعة خارج حدود الجملة الدينامية الحرارية والمسماة بالوسط المحيط أو الوسط الخارجي. مثال: الغاز المحصور ضمن اسطوانة مع المكبس يشكل جملة دينامية حرارية، حيث يمثل الهواء الجوي المحيط بالاسطوانة من الخارج الوسط المحيط أو الوسط الخارجي وجدران الاسطوانة مع سطح المكبس حدود الجملة والغاز المحصور بالجسم العامل.
وتصنف الجمل الدينامية الحرارية حسب شروط التبادل مع الجمل الأخرى إلى مايلي[١]:
- الجملة الدينامية الحرارية المعزولة: وهي الجملة التي لا تتبادل الطاقة والمادة مع الوسط المحيط أو الجمل الدينامية الحرارية الأخرى.
- الجملة الدينامية الحرارية المغلقة: وهي الجملة التي لا تتبادل المادة مع الوسط المحيط أو الأجسام الأخرى ولكن تتبادل بالطاقة.
- الجملة الدينامية الحرارية المفتوحة: وهي الجملة التي تتبادل المادة مع الوسط المحيط والأجسام الأخرى.
- الجملة الدينامية الحرارية المعزولة حراريا: وهي الجملة التي لا تتبادل الطاقة الحرارية مع الوسط المحيط أو الأجسام الأخرى المحيطة بها وتسمى أيضا بالجملة المعزولة أديباتيكا.
ويطلق على مجموعة الخواص الفيزيائية للجملة عند ظروف العمل بالحالة الدينامية الحرارية للجملة، فهناك الحالة المتوازنة (المستقرة)، والحالة غير المتوازنة (غير المستقرة) للجملة الدينامية الحرارية. فالحالة المتوازنة (المستقرة) للجملة الدينامية الحرارية تتميز بأن عناصر الحالة للجملة لا تتغير مع مرور الزمن تحت تأثير الظروف الخارجية الثابتة للوسط المحيط، كما يطلق على حالة الجملة الدينامية الحرارية بأنها متوازنة حراريا عندما تحافظ جميع نقاط الجملة على درجة حرارة ثابتة. وتدعى حالة الجملة الدينامية الحرارية بالمستقرة إذا حافظت عناصر الحالة للجملة في جميع نقاطها على قيم ثابتة تحت تأثير القوى الخارجية ومع مرور الزمن. أما إذا تغيرت قيمة أحد عناصر الحالة تحت تأثير الشروط الخارجية ومع مرور الزمن فتدعى حينئذ الجملة الدينامية الحرارية بغير المستقرة.
كمية الحرارة
- طالع أيضاً: طاقة حرارية
الحرارة هي إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر نتيجة للاختلاف في درجة حرارة الجسمين، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول.
درجة الحرارة
- طالع أيضاً: درجة حرارة
درجة الحرارة هي مقياس الاتزان الحراري ونعني بهذا الحالة التي عندها لا تنتقل الحرارة من نقطة لأخرى وذلك لعدم وجود فارق في درجات الحرارة. وتقاس الحرارة بوحدات مئوية أو فهرنهتية أو مطلقة. وتقاس درجات الحرارة بأنواع مختلفة من مقاييس الحرارة أهمها مقياس الحرارة السائلي، ومقياس الحرارة الغازي، ومقياس الحرارة البلاتيني، ومقياس الحرارة ذو المزدوجة الحرارية، وأخيراً مقياس الحرارة المسمى بالبيومتر الضوئي.
الحرارة النوعية
- طالع أيضاً: حرارة نوعية
هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة أو مطلقة وبذلك تكون وحدتها هي سعرة حرارية لكل كيلوجرام لكل درجة.
السعة الحرارية
- طالع أيضاً: سعة حرارية
هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كمية معينة من مادة ما درجة مئوية واحدة.
القانون الأساسي في الديناميكا الحرارية
يربط الكميات السابقة القانون التالي: Q = M C dt
أي أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من المادة فرق في درجات الحرارة dt هو حاصل الضرب الكتلة في الحرارة النوعية في فرق درجات الحرارة ويكون الناتج بالطبع بالجول.
قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة
- طالع أيضاً: قوانين الديناميكا الحرارية
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
- طالع أيضاً: القانون الصفري للديناميكا الحرارية
إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة ج فإن حرارة أ تساوي حرارة ج.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
- طالع أيضاً: القانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص على أن الطاقة في النظام تساوي العمل المبذول (المضاف أو المنتزع) يضاف إليها الطاقة الداخلية (المضافة أو المنتزعة).
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- طالع أيضاً: القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يتعلق القانون الثاني بالاعتلاج أو الأنتروبية وينص على مبدأ أساسي يقول بأن تغيرًا تلقائيًا في نظام فيزيائي لا بد وأن يترافق بازدياد في مقدار اعتلاج هذا النظام. ويفيد بأن تدفق الاعتلاج إلى داخل النظام ناقص تدفق الاعتلاج إلى خارج النظام زائد الاعتلاج المتكون داخل النظام تساوي صفرا.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
- طالع أيضاً: القانون الثالث للديناميكا الحرارية
من المستحيل تبريد نظام إلى درجة الصفر المطلق. هذا القانون يحدد درجة الصفر المطلق كحد طبيعي لا يمكن تعديها إلى أقل منها. حقيقة أنه يمكن بأداء عمل كبير الاقتراب من درجة الصفر المطلقة، مثلما يحدث عند دراسة الميوعة الفائقة للهيليوم-3 حيث تصل درجته الحرجة للميوعة الفائقة عند 0.0026 كلفن.
الكمونات الدينامية الحرارية
- طالع أيضاً: كمون دينامي حراري
نماذج النظم الدينامية الحرارية
- طالع أيضاً: نظام دينامي حراري
العمليات الدينامية الحرارية
- طالع أيضاً: عملية دينامية حرارية
الخصائص الحرارية
من أهم الخصائص الحرارية للمواد:
- الحرارة T
- الضغط P
- الحجم V
- طاقة داخلية U
- الاعتلاج (إنتروبيا) S
- السخانة H (التغير في الإنثالبي يساوي التغير في الطاقة عند ثبوت الضغط لأن H=pv+U)
- السرعة
- العلو
ويمكن تقسيم هذه الخصائص بطريقتين:
- حالية حرارية (كالحرارة والضغط والحجم) أو حالية كالورية (كالطاقة الداخلية والاعتلاج والسخانة)
- حالية (أي أنها تعبر عن حالة للمادة وهي كل الخصائص المذكورة أعلاه) أو عملياتية (أي أنها لا توجد إلا بوجود عملية كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر، وعلى ذلك فهي تمثل تغير حالة المادة. ومن هذه الخصائص الشغل)
المعادلة الحرارية
من أهم القوانين التي ترسم العلاقة بين الضغط والحرارة والحجم والكتلة في الغازات:
PV=mRiT
حيث Ri هو ثابت الغازات العام ولكن هذه العلاقة ليست الوحيدة وهي كذلك ليست صحيحة صحة مطلقة حيث أنه اعتمد في اشتقاقها على بعض المسلمات التي تمثل تبسيطا للواقع. حيث حسب بالغازات المثالية أي أن ذرات أو جزيئات الغاز ليس لها حجم وأنه لا توجد قوى بين الجزيئات كما أن الجزيئات لا تغير شكلها أي بمعنى في حالة تصادم جزيئان يكون التصادم مرنا، أي لا يحدث أن يمتص جزيء جزءاً من الطاقة خلال التصادم.
معادلة فان دير فالس
معادلة فان دير فالس هي أيضا معادلة حرارية (معادلة تحتوي على خصائص حرارية تسمى معادلة حرارية).
(p+(a/v²)*(v-b)=Ri*T
حيث a و b معاملات لتصحيح المسلمات الخاطئة أعلاه.
أنواع تغير الحالة
- طالع أيضاً: دورة ديناميكية حرارية
تحول عكوس: تحول لا متناه في البطء يمكن للنظام الحراري في أي نقطة منه العودة في الاتجاه المعاكس معيداً وبدقة تامة جميع الشروط التي قد مرت به في التحول الأصلي المباشر ويسمى هذا التحول بالتحول الفيزيائي.
تحول لاعكوس: تحول سريع غير قابل للعكس وتتصف جميع التحولات الطبيعية بأنها لاعكوسة؛ ويسمى هذا التحول بالتحول الكيميائي والسبب تكون ماده جديده.
الدورة المغلقة: تحول يعود فيه النظام إلى نقطة البدء بعد أن يكون قد مر بعدة مراحل مختلفة.
اقرأ أيضا
- إشعاع حراري
- توازن ترموديناميكي
- الحرارة
- الديناميكا الحرارية الجزيئية
- فضاء الطور
- طاقة شمسية فضائية
- عمل (ترموديناميك)
- قانون بويل
- قوانين الديناميكا الحرارية
- معادلات دينامية حرارية
- مقاومة التلامس الحراري
- كفاءة حرارية
- حمل (فيزياء)
- دورة كارنو
- دورة رانكن
- مبادل حراري
- نظام حركة حرارية
- مخطط درجة الحرارة والإنتروبي
- مخطط الضغط والحجم
مراجع
af:Termodinamika an:Termodinamica ast:Termodinámica az:Termodinamika ba:Термодинамика bar:Thermodynamik be:Тэрмадынаміка be-x-old:Тэрмадынаміка bg:Термодинамика bn:তাপগতিবিজ্ঞান bs:Termodinamika ca:Termodinàmica cs:Termodynamika cy:Thermodynameg da:Termodynamik de:Thermodynamik el:Θερμοδυναμική Thermodynamics]] eo:Termodinamiko es:Termodinámica et:Termodünaamika eu:Termodinamika ext:Termodinámica fa:ترمودینامیک fi:Termodynamiikka fiu-vro:Lämmäoppus fr:Thermodynamique fy:Termodynamika gl:Termodinámica he:תרמודינמיקה hi:उष्मागतिकी hr:Termodinamika ht:Tèmodinamik hu:Termodinamika ia:Thermodynamica id:Termodinamika io:Termodinamiko is:Varmafræði it:Termodinamica ja:熱力学 ka:თერმოდინამიკა kk:Термодинамика ko:열역학 la:Thermodynamica lb:Thermodynamik lmo:Termudinamica lt:Termodinamika lv:Termodinamika mk:Термодинамика ml:താപഗതികം mn:Термодинамик mr:ऊष्मगतिकी ms:Termodinamik my:သာမိုဒိုင်းနမစ် nds:Thermodynamik nl:Thermodynamica nn:Termodynamikk no:Termodynamikk oc:Termodinamica pl:Termodynamika pnb:تھرموڈائینامکس pt:Termodinâmica ro:Termodinamică ru:Термодинамика rue:Термодінаміка sah:Термодинамика scn:Termudinàmica sh:Termodinamika simple:Thermodynamics sk:Termodynamika sl:Termodinamika sq:Termodinamika sr:Термодинамика sv:Termodynamik ta:வெப்ப இயக்கவியல் th:อุณหพลศาสตร์ tl:Termodinamika tr:Termodinamik tt:Термодинамика uk:Термодинаміка ur:حرحرکیات vi:Nhiệt động lực học war:Termodinamika zh:热力学 zh-yue:熱力學
