الرئيسية / فيزياء / مدخل إلى علم الديناميكا الحرارية

مدخل إلى علم الديناميكا الحرارية

تعتبر الحرارة أحد أشكال الطاقة التي يمكن تحويلها من شكل إلى آخر، أو نقلها بين الأجسام. فمثلًا: لتشغيل المحركات الكهربائية تقوم التوربينات بتحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية، ثم تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية بواسطة المحرك لإضاءة المصابيح الكهربائية، ثم يحول المصباح الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى ضوء يتم امتصاصه من قبل الأسطح فيتحول فى النهاية إلى حرارة مرة أخرى. ولدراسة العلاقة بين الحرارة والأشكال الأخرى للطاقة فقد أسس الفيزيائيون علم الديناميكا الحرارية كأحد فروع الفيزياء بغرض فهم كيفية تحول الطاقة الحرارية من وإلى أشكال أخرى من الطاقة، وكيفية تؤثر هذه التحولات على المادة. وتعرف الطاقة الحرارية على أنها الطاقة التي تمتلكها مادة أو نظام ما نتيجة درجة حرارته، وتعبر عن طاقة الجزيئات المتحركة أو المهتزة.

وبهذا يمكن تعريف علم الديناميكا الحرارية على أنها فرع من الفيزياء يقوم بتنظيم العلاقة بين الحرارة وأشكال الطاقة المختلفة، ويقوم بوصف التحولات التى تحدث للطاقة الحرارية من حالة إلى حالة أخرى من الطاقة وكيف يؤثر هذا التحول على المادة. 

تاريخ الديناميكا الحرارية:

قام الكيميائى الفرنسي أنطوان لافوازييه باقتراح نظرية السيال الحرارية عام 1783، وقام سادي كارنو بدعمها في عام 1824، وقد تبع العلماء هذه النظرية فى أبحاثهم خلال أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر حسب الجمعية الفيزيائية الأميركية. 

رودولف كلاوزيوس

وقد قدمت نظرية السيال الحراري الحرارة كأحد أنواع الموائع المتدفقة بشكل طبيعي من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة وذلك بطريقة تشبه تدفق الماء من مناطق ذات إرتفاعات العالية إلى مناطق منخفضة. ويتحول هذا المائع إلى طاقة ميكانيكية عندما تتدفق الحرارة من المنطقة الساخنة إلى الباردة كما تدفق الموائع. وقد ظلت تلك النظرية فى حيز الاستخدام إلى أن جاء الفيزيائى رودولف كلاوسيوس وقام بنشر النظرية الميكانيكية للحرارة فى عام 1879 لينفي بذلك نظرية السيال الحراري.

توفر معامل براكسيلابس مجموعة من تجارب الديناميكا الحرارية من خلال معاملها الإفتراضية ثلاثية الأبعاد، يمكنك تجربة نسختك المجانية من هنا.

الحرارة:

تتعدد الخواص الفيزيائية للمواد ولكن تعتبر الحرارة أحد أهم تلك الخواص التى نستطيع دراستها باستخدام علم الديناميكا الحرارية. ويتم تعريف الحرارة على أنها طاقة تنتقل بين المواد نتيجة لاختلاف درجات الحرارة بين تلك المواد، طبقاً لقوانين الطاقة. وكأحد صور الطاقة فإن الحرارة تخضع لقوانين حفظ الطاقة فلا يمكن ان تفنى الحرارة او تستحدث من العدم ولكن من الممكن ان تتحول من صورة إلى صورة أخرى من صور الطاقة أو تنتقل من مكان إلى مكان. فعلى سبيل المثال تقوم شعلة الموقد (الكهربائي) بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة، وتقوم بتوصيل تلك الطاقة من خلال القدر إلى الماء، والذى بدوره يمد جزيئات الماء بمزيد من الطاقة الحركية والتى تسبب تسارع حركتها تباعاً حتى تصل إلى حرارتها إلى درجة حرارة الغليان، عندها تكون الذرات قد اكتسبت طاقة تكفى لتحريرها من الروابط الجزيئية للسائل، وتخرج على شكل بخار.

درجة الحرارة:

هي وحدة قياس لمعدل الطاقة الحرارية للجسيمات في عينة من المادة، ويتم التعبير عنها بالوحدات أوالدرجات الثابتة والمحددة بمقياس معياري ثابت.

ومقياس الحرارة الأكثر استعمالا هو مقياس سيلسيوس وذلك بحسب قاموس التراث الأمريكي، وتعتمد وحدة السيليسيوس على نقاط تجمد وغليان الماء تحت تأثير الضغط الجوي،  فدرجة التجمد الخاصة بالماء هي صفر درجة سيليزية ودرجة الغليان هي 100 سيليسيوس، وكذلك يمكن استخدام وحدة الفهرنهايت للتعبير عن درجة الحرارة أيضاً، وكالسيليسيس فإن الفهرنهايت تعتمد أيضاً على نقاط التجمد والغليان الخاصة بالماء، فدرجة تجمد الماء هى 32 فهرنهايت ودرجة الغليان تصل إلى 212 فهرنهايت.

أما الوحدة الثالثة فهي الكلفن ، وقد تم اعتمادها لما تحققه من دقة أثناء استخدامها في العمليات الحسابية إضافة إلى انه من الممكن استخدام معدل التزايد نفسه الموجود في مقياس سيلسيوس، ومعنى هذا ان الدرجة السيليزية تساوي 1 كلفن. 

الحرارة النوعية:

الحرارة النوعية هي أحد الخواص الفيزيائية للمادة وتعرف على انها كمية الطاقة الحرارية الضرورية لرفع درجة حرارة المادة لكل وحدة من الكتلة.. يُرمز للحرارة النوعية في النظام العالمي للوحدات بالرمز S وهي كمية الحرارة بالجول المطلوبة لرفع درجة حرارة غرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة كلفن. يمكن التعبير عنها أيضًا كـ (جول/كغم.كلفن).

القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية:

لقد تم وصف المبدأ الأساسي للديناميكا الحرارية من خلال ثلاثة قوانين أساسية. ولكن بعد ذلك، أدرك الفيزيائيون أن أهم قوانين الديناميكا الحرارية كان مهملاً!، ويرجع ذلك غالباً إلى عدم وجود حاجة صريحة وواضحة إلى الإعلان عنه حيث أنه كان بديهيًا. لكن للإلمام بجميع قواعد الديناميكا الحرارية، قام العلماء بإقرار هذا القانون وأضافوه إلى القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية، وقد تم تسمية هذا القانون بالقانون صفر، حيث كان ذلك إقتراح من العالم البريطاني رالف فاولر لحل المشكلة التى واجهت العلماء بخصوص إقرار هذا القانون حيث كانت القوانين الثلاثة قد انتشرت وتم التعارف عليها بين الباحثين بأرقامها الثلاثة و تغيير تلك الأرقام بالطبع سوف يسبب ازعاجًا كبيرًا فى الأوساط العلمية، ولأنه القانون الأساسى فلا يمكن إعطاءه الرقم الأخير لأن هذا سيكون ترتيب غير منطقي. لذلك تم إعطاء القانون الجديد اسم ”القانون صفر” أو ”المبدأ صفر”.

لطالما راود العلماء القدماء والمعاصرين أفكار عن إمكانية صناعة آلات حركة أبدية تعمل دون توقف ودون أى مصدر طاقة خارجى، وهذا ما يتعارض بشكل مباشر مع قوانين الديناميكا الحرارية. يوضح الفيديو التالى فكرة الآلات أبدية الحركة.

 

  • القانون صفر : إذا كان هناك جسمان في وضع توازن حراري مع جسم ثالث، فإن الجسمين يكونان في وضع توازن حراري مع بعضهما البعض، هذا ما يجعل درجة الحرارة خاصية أساسية للمادة.
  • القانون الأول: مقدار الزيادة في الطاقة الداخلية يساوي كمية الحرارة المدخلة إلى النظام ناقص الشغل المؤدى من النظام.
  • القانون الثاني: الطاقة لا يمكنها الانتقال من جسم ذي درجة حرارة أقل إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى بدون طاقة إضافية، (هذا ما يجعل تشغيل مكيف الهواء يحتاج إلى المال!).
  • القانون الثالث: الانتروبيا عند الصفر المطلق هي”صفر”!، كما شرحنا مسبقا، الانتروبيا هي شيء يسمى ب”الطاقة المهدرة”، أي الطاقة الغير قادرة على القيام بعمل، ولذلك لا يوجد طاقة حرارية عند الصفر المطلق.

بهذا نكون قد تناولنا بعض المعلومات السريعة التى تخص أساسيات علم الديناميكا الحرارية كأحد أهم فروع الفيزياء.

 

عن مصطفى الحشاش

مصطفى الحشاش
كاتب المحتوى العلمي لبراكسيلابس.

شاهد أيضاً

اكتشافات الفيزياء الأهم في التاريخ (الجزء الأول)

الفيزياء هي الأداة التى تساعدنا على إدراك الكون من حولنا وفهم مختلف الظواهر الطبيعية التى …

تعليق واحد

  1. Avatar
    د.محمود سعيد

    هايل…فرع مهم في الفيزياء… يفضح اي شخص يدعي انه اخترع مولد للكهرباء مجاني

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *