شارك
الرئيسيةما هي الديناميكا الحرارية؟
تدعى أيضا الترموديناميك، هي دراسة العلاقات بين الحرارة والعمل ودرجة الحرارة والطاقة، تصف قوانين الديناميكا الحرارية كيف تتغير الطاقة في النظام وتدرس إمكانية نظام أو جملة معينة أداء عمل مفيد يؤثر على محيطه.
مَن هو مؤسس علم الديناميكا الحرارية؟
يعد العالم نيكولا ليونارد سادي كارنو (1796-1832) أبو الديناميكا الحرارية، حيث نشر في عام 1824 نظريات في القوة الدافعة للنار، وكانت أول محاولة للربط بين الطاقة الحرارية والقوة الدافعة للمحركات.
ما هو أبسط مثال عن الديناميكا الحرارية؟
من أبسط الأمثلة عن الديناميكا الحرارية، دراسة كيفية تغيّر الحرارة بين جسم ساخن وجسم بارد، إذ عندما نضع مكعباً من الجليد في الماء سوف يحصل انتقال حراري من الماء إلى الجليد بسبب التبادل الحراري.
لماذا تعد دراسة الديناميكا الحرارية مهمة؟
تشكل الديناميكا الحرارية الأساس للمحركات الحرارية ومحطات الطاقة والتفاعلات الكيميائية والثلاجات والعديد من التطبيقات الضرورية الموجودة في عالمنا اليوم، ويتطلب فهم الديناميكا الحرارية معرفة كيفية عمل العالم بالأبعاد الذرية وما دون الذرية.
ما هي قوانين الديناميكا الحرارية؟
توجد 4 قوانين رئيسية في الديناميكا الحرارية وهي:
القانون الصفري للديناميكا الحرارية
عندما يكون كل نظام في حالة التوازن الحراري مع نظام ثالث، يكون النظامان الأولان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض، أي عندما نضع ميزان حرارة في كأس ماء بدرجة حرارة معينة، باعتبار كأس الماء نظاماً حرارياً أول وميزان الحرارة نظاماً ثانياً؛ ومن ثم وضعنا ميزان الحرارة في نظام ثالث هو كأس ماء أخرى فظهرت درجة الحرارة نفسها التي كانت في الكأس الأولى فيتحقق القانون الصفري للديناميكا الحرارية.
القانون الأول للديناميكا الحرارية أو قانون مصونية الطاقة
لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة، ولكن يمكن تغييرها من شكل إلى آخر، فالنشاء في النباتات يتشكل من تحويل الطاقة الضوئية بالتمثيل الضوئي إلى طاقة كيميائية، وكذلك السيارات تحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية تتحول بدورها إلى طاقة ميكانيكية حركية.
وقبل الحديث عن القوانين المتبقية يجب تعريف الإنتروبيا: هي كمية الديناميكية الحرارية التي تعتمد قيمتها على الحالة المادية أو حالة النظام، أي هي خاصية ديناميكية حرارية تستخدم لقياس العشوائية أو الفوضى، حيث تكون إنتروبيا المادة الصلبة التي لا تكون الجسيمات حرة في الحركة فيها، أقل من إنتروبيا الغاز الذي تتحرك جسيماته بحرية وتملأ الحاوية التي يوضع بها.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
تميل جميع الأنظمة المغلقة نحو حالة توازن تكون فيها الإنتروبيا بحدها الأقصى ولا تتوفر أي طاقة للقيام بعمل مفيد، وينص أنه من المستحيل تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية بكفاءة 100% فاحتراق الغازات ليس كاملاً إذ تبقى نسبة معينة من الضياع أو هدر الطاقة اللازمة للتحول من حالة إلى أخرى، ومن نظام لآخر.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية
تقترب إنتروبيا النظام من قيمة ثابتة عندما تقترب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق، مثلاً الماء في حالته الغازية كبخار الماء تكون إنتروبيته (الفوضى) عالية وعندما يتم تبريده ليصبح سائل تنقص إنتروبيته، وإن استمرينا في تبريده ليصل إلى الصفر المطلق سوف يتجمد ولن تتحرك جزيئاته بل ستصبح في حالة بلورية وتقترب إنتروبيته من الصفر، مع العلم بأنه لا يمكننا الوصول لحالة إنتروبيا معدومة.