الديناميكا الحرارية| تعريفها، تاريخها، أشهر قوانينها، تطبيقاتها المختلفة

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.

لدراسة العلاقة بين الحر[ارة 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.

ابدا تجربتك الان فى معامل براكسيلابس ثلاثيه الابعاد!

 

ما هي الديناميكا الحرارية؟

 يمكن تعريف 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

رودولف كلاوسيوس

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 الآن.

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

رودولف كلاوزيوس

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 (قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة). 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.

ابدا تجاربك مع براكسيلابس الان مجانا!

 

 

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

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 للديناميكا الحرارية

مقدار الزيادة في الطاقة الداخلية يساوي كمية الحرارة المدخلة إلى النظام ناقص الشغل المؤدى من النظام.

المخطط التالي يوضح خريطة مفاهيم القانون الأول في الديناميكا الحرارية:

خريطة مفاهيم القانون الأول في الديناميكا الحرارية

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

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 للديناميكا الحرارية

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.

أهمية الديناميكا الحرارية وتطبيقاتها

سنتناول الآن بعض تطبيقات الديناميكا الحرارية في الحياة والتي تعكس مدى أهميتها:

  • يتبع مكيف الهواء والمضخة الحرارية قوانين الديناميكا الحرارية. يزيل التكييف الحرارة من الغرفة ويحافظ عليها عند درجة حرارة منخفضة عن طريق طرح الحرارة الممتصة في الغلاف الجوي. تمتص المضخة الحرارية الحرارة من الجو وتزودها بالغرفة التي تكون أكثر برودة في الشتاء. وفي كلتا الحالتين المذكورتين، يجب توفير العمل / الطاقة الخارجية على شكل كهرباء ؛ فكلما كان  الفرق في درجة الحرارة أكبر ، كلما كان العمل الخارجي المطلوب أكبر.

 

  • جميع الثلاجات والمجمدات وأنظمة التبريد الصناعية وجميع أنواع أنظمة تكييف الهواء والمضخات الحرارية وغيرها تعمل على أساس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

 

  •  أحد المجالات المهمة للديناميكا الحرارية هو نقل الحرارة ، والذي يتعلق بنقل الحرارة بين وسيطين. هناك ثلاث طرق لنقل الحرارة: التوصيل ، والحمل الحراري ، والإشعاع. يستخدم مفهوم نقل الحرارة في مجموعة واسعة من الأجهزة مثل المبادلات الحرارية ، المبخرات ، المكثفات ، المشعات ، المبردات ، السخانات وغيرها

فطبقا للقانون الثاني، تتدفق الحرارة دائمًا من الجسم ذو درجة حرارة أعلى إلى الجسم ذو درجة حرارة منخفضة. ينطبق هذا القانون على جميع أنواع دورات المحرك الحراري لجميع أنواع السوائل المستخدمة في المحركات. أدى هذا القانون إلى تقدم المركبات الحالية.

 

  • ذوبان مكعبات الثلج: تمتص مكعبات الثلج في مشروب الحرارة من المشروب مما يجعل المشروب أكثر برودة. و إذا نسينا حساء ساخن فبعد مرور بعض الوقت، يصل مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة عن طريق امتصاص حرارة الغلاف الجوي. كل هذا يحدث وفقًا للقانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية.

 

  • تتضمن الديناميكا الحرارية أيضًا دراسة أنواع مختلفة من محطات الطاقة مثل محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الكهرومائية ومحطات الطاقة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والمد والجزر وموجات المياه وما إلى ذلك.

 

  • تعد الطاقة المتجددة أحد المجالات المهمة للديناميكا الحرارية التي تتضمن دراسة جدوى استخدام أنواع مختلفة من مصادر الطاقة المتجددة للاستخدام المنزلي والتجاري.

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

مع براكسيلابس يمكنك إجراء تجارب العلوم من أي مكان باستخدام المعامل الافتراضية الثلاثية الأبعاد

 

ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!

عن مصطفى الحشاش

مصطفى الحشاش
كاتب المحتوى العلمي لبراكسيلابس.

شاهد أيضاً

تعرف على معادلة برنولي وأهم تطبيقاتها المختلفة في حياتنا

تعرف على معادلة برنولي وأهم تطبيقاتها المختلفة في حياتنا

تعتبر معادلة برنولي أو معادلة طاقة التدفق الثابت غير القابلة للضغط واحدة من أكثر المعادلات …