قوانين الديناميكا الحرارية

ال الديناميكا الحرارية هو فرع الفيزياء المسؤول عن تحديد وقياس ظاهرة نقل الطاقة، وتشمل الأعمال الحرارية والميكانيكية.

طاقة

من أهم مظاهر الطبيعة هي الطاقة التي تصاحب كل التغيرات والتحولات. وهكذا ، تتنوع الظواهر مثل سقوط حجر ، أو حركة كرة البلياردو ، أو احتراق الفحم ، أو النمو. وردود فعل الآليات المعقدة للكائنات الحية ، تشتمل جميعها على بعض الامتصاص والانبعاث وإعادة التوزيع لـ طاقة.

الشكل الأكثر شيوعًا الذي تظهر فيه الطاقة ويميل إليه الآخرون هو حار. بجانبه يحدث الطاقة الميكانيكية في حركة أي آلية.

الطاقة الكهربائية عندما يسخن التيار موصلًا أو يكون قادرًا على أداء عمل ميكانيكي أو كيميائي. الطاقة المشعة الملازمة للضوء المرئي والإشعاع بشكل عام ؛ وأخيرًا الطاقة الكيميائية المخزنة في جميع المواد ، والتي يتم الكشف عنها عند إجراء التحول.

على الرغم من اختلافها وتنوعها كما هو مفترض للوهلة الأولى ، إلا أنها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، وفي ظل ظروف معينة يحدث التحويل من واحد إلى الآخر. إنها مسألة ديناميكا حرارية دراسة مثل هذه العلاقات المتبادلة التي تحدث في الأنظمة ، وقوانينها ، التي تنطبق على جميع الظواهر الطبيعية ، يتم الوفاء بها بدقة منذ إنها تستند إلى سلوك الأنظمة العيانية ، أي مع عدد كبير من الجزيئات بدلاً من الجزيئات المجهرية التي تشتمل على عدد أقل من أنهم.

إلى الأنظمة حيث قوانين الديناميكا الحرارية، يطلق عليهم الأنظمة الديناميكية الحرارية.

الديناميكا الحرارية لا يعتبر وقت التحول. اهتمامك يركز على الحالات الأولية والنهائية نظام دون إظهار أي فضول حول السرعة التي يحدث بها مثل هذا التغيير.

طاقة نظام معين هي حركية أو محتملة أو كليهما في نفس الوقت. ال الطاقة الحركية أنه بسبب حركتهاسيكون الجزيئية أو للجسم ككل.

من ناحية أخرى، القدره هل هذا النوع من الطاقة يمتلك النظام بحكم موقعه، أي من خلال هيكلها أو تكوينها فيما يتعلق بالهيئات الأخرى.

إجمالي محتوى الطاقة لأي نظام هو مجموع السابق ، وعلى الرغم من أنه يمكن حساب قيمته المطلقة مع الأخذ في الاعتبار علاقة أينشتاين الشهيرة E = mC²، حيث E هي الطاقة ، m الكتلة ، و C سرعة الضوء ، هذه الحقيقة قليلة الفائدة في الاعتبارات الديناميكية الحرارية العادية.

والسبب هو أن الطاقات المتضمنة كبيرة جدًا لدرجة أن أي تغيير فيها نتيجة لعمليات فيزيائية أو كيميائية لا يكاد يذكر.

وبالتالي فإن التغييرات الجماعية الناتجة عن تلك عمليات النقل لا يمكن توقعها ، وبالتالي فإن تفضل الديناميكا الحرارية التعامل مع اختلافات الطاقة التي يمكن قياسها ويتم التعبير عنها في أنظمة الوحدات المختلفة.

على سبيل المثال ، وحدة نظام cgs للطاقة الميكانيكية أو الكهربائية أو الحرارية هي Erg. أن النظام الدولي للوحدات هو الجول أو يوليو. أن النظام الإنجليزي هو السعرات الحرارية.

ال تخضع الديناميكا الحرارية لأربعة قوانين، على أساس قانون الصفر.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

إنها الأبسط والأكثر أساسية من بين الأربعة ، وهي في الأساس فرضية تقول:

"إذا كان الجسم A في حالة توازن حراري مع جسم B ، والجسم C في حالة توازن مع B ، فإن A و C في حالة توازن."

القانون الأول للديناميكا الحرارية

يؤسس القانون الأول للديناميكا الحرارية الحفاظ على الطاقة مع فرضية أنه يقول:

"الطاقة لا تُخلق ولا تُدمر ، إنها تتحول فقط".

تمت صياغة هذا القانون بالقول أنه بالنسبة لكمية معينة من شكل من أشكال الطاقة التي تختفي ، سيظهر شكل آخر منها بكمية مساوية للكمية التي اختفت.

تعتبر وجهة كمية معينة من تضاف الحرارة (س) إلى النظام. هذا المبلغ سوف يؤدي إلى زيادة في الطاقة الداخلية (ΔE) وسيؤثر أيضًا على بعض عمل خارجي (W) نتيجة لامتصاص الحرارة المذكور.

يقام بموجب القانون الأول:

ΔE + W = س

على الرغم من أن القانون الأول للديناميكا الحرارية يؤسس العلاقة بين الحرارة الممتصة والعمل التي يتم إجراؤها بواسطة نظام ، لا تشير إلى أي قيود على مصدر هذه الحرارة أو في اتجاهها تدفق.

وفقًا للقانون الأول ، لا شيء يمنع أنه بدون مساعدة خارجية نقوم باستخراج الحرارة من الجليد لتسخين الماء ، حيث تكون درجة حرارة الأول أقل من درجة حرارة الأخير.

لكن من المعروف أن يكون لتدفق الحرارة الاتجاه الوحيد من أعلى درجة حرارة إلى أدنى درجة حرارة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يعالج القانون الثاني للديناميكا الحرارية تناقضات القانون الأول ، ويحمل الافتراضات التالية:

"لا تتحول الحرارة إلى عمل دون إحداث تغييرات دائمة سواء في الأنظمة المتضمنة أو في المناطق المجاورة لها."

الانتروبيا هي الكمية المادية التي تحدد القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، وتعتمد على الحالات الأولية والنهائية:

ΔS = S.₂ - س₁

يتم أيضًا تقديم الانتروبيا للعملية برمتها من خلال:

ΔS = ف_ص/ ت

يجري ف_ص حرارة العملية المتساوية القابلة للانعكاس ودرجة الحرارة الثابتة.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

يتعامل هذا القانون مع إنتروبيا المواد البلورية النقية عند درجة حرارة الصفر المطلق ، وفرضيته هي:

"يجب اعتبار إنتروبيا جميع المواد الصلبة البلورية النقية صفراً عند درجة حرارة الصفر المطلقة."

هذا صحيح لأن الأدلة التجريبية والحجج النظرية تظهر أن إنتروبيا المحاليل أو السوائل فائقة التبريد ليست صفرًا عند صفر كلفن.

أمثلة على تطبيقات الديناميكا الحرارية

ثلاجات منزلية

مصانع الثلج

محركات الاحتراق الداخلي

حاويات حرارية للمشروبات الساخنة

طناجر الضغط

غلايات

سكك حديدية تعمل بحرق الفحم

أفران صهر المعادن

جسم الإنسان يبحث عن التوازن

الملابس التي يتم ارتداؤها في الشتاء تحافظ على دفء الجسم