شرح قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة

0
657

شرح قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة، علم الديناميكا الحرارية من العلوم الفيزيائية، يختلف علم الديناميكا عن باقي العلوم  بأن فرضياته
تم تفسيرها و تم العمل عليها و تجريبها و من ثم وضعت قوانين هذا
العلم . كل معادلات الديناميكا الحرارية لا تعتمد علي الوقت.

يقوم علم التحريك أو الديناميكا Dynamics بدراسة العلاقة بين العوامل الخارجية المؤثرة علي جملة مثل أنواع القوي المختلفة وحركة هذه الجمل. يشكل الديناميكا فرعا واسع من علم الميكانيك وله الكثير من التطبيقات.

قوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة

يوجد ثلاث قوانين معروفة للديناميكا الحرارية وهم :-

  1. القانون الاول للديناميكا الحرارية.
  2. القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
  3. القانون الثالث للديناميكا الحرارية.

ولكن يوجد قانون يسمي القانون الصفري للديناميكا الحرارية سنقوم بتوضيحه أولا، وبسبب ذلك القانون يعتبر البعض أحيانا أن قوانين الديناميكا الحرارية أربعة وليست ثلاثة.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على انه ” اذا كان هناك جسمين في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فانهما يكونا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض “.

الاتزان الحراري يعني ان يكون هناك اتصال حراري بين جسمين من خلال جدار او فاصل يسمح بالتبادل الحراري بينهما ونقول انهما في حالة اتزان حراري اذا اصبحت صافي الانتقال الحراري بينهما يساوي صفر.

القانون الأول للديناميكا الحرارية

قانون الديناميكا الحراري الأول : هو قانون حفظ الطاقة ينص علي أن الطاقة تتغير من حالة الي أخري ومن طاقة كامنة إلي طاقة نشطة، أي أن الطاقة لا تفني ولا تستحدث ولكن تتحول من صورة الي أخري. يدرس العلاقة بين الطاقة الحرارية التي يكتسبها أو يفقدها النظام والشغل الذي يبذله النظام أو المبذول عليه، التغير في الطاقة الداخلية للنظام.

المبادئ الثلاثة لقانون الديناميكا الحرارية الأول:-

1- قانون أو مبدأ حفظ الطاقة كما ذكرنا ينص علي أن الطاقة لا تفني ولا تستحدث ولكنها تتحول من صورة الي آخري.

2- تنتقل الحرارة من الجسم الساخن الي الجسم البارد وليس العكس.

3- الشغل هو صورة من صور الطاقة.

نص القانون الأول للديناميكا الحرارية:-

كمية الحرارة التي يكتسبها أو يفقدها النظام تساوي مجموع الشغل الذي يبذله النظام، والتغير في الطاقة الداخلية للنظام.

يبين القانون ان نقل الحرارة بين الأنظمة نوع من أنواع نقل الطاقة. وارتفاع الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي معين يساوي كمية الطاقة الحرارية المضافة للنظام مطروح منه الشغل الميكانيكي المبذول من النظام الي الوسط المحيط أي أن الطاقة في نظام مغلق تبقي ثابتة ويعبر عن ذلك بهذه المعادلة

U = Q – W

هذه المعادلة تعني أن الزيادة في الطاقة الداخلية U لنظام = كمية الحرارة Q الداخلة الي النظام – W الشغل المؤدي من النظام.

في هذه العلاقة يجب مراعاة التالي:-

  1. في الديناميكا الحرارية تعامل كمية الحرارة كأنها شغل، فإنها عبارة طاقة يمكن أن تنتقل بين النظام والوسط الخارجي المحيط به، وتختلف عن الشغل في أن انتقالها يكون بشرط وجود فرق في درجات الحرارة بين النظام والوسط الخارجي.
  2. الشغل يجب أن يكون كمية موجبة اذا بذله النظام، ويكون اتلشغل كمية سالبة في حالة بذل شغل علي النظام.
  3. يؤدي تزويد النظام بالحرارة الي تخزينها في النظام علي شكل طاقة حركية وطاقة وضع ( طاقة كامنة ) للجزيئات التي يتكون منها النظام ولا تخزن علي شكل حرارة.
  4. في حالة اكتساب النظام طاقة حرارية كمية الحرارة كمية موجبة، واذا فقد النظام طاقة حرارية تكون كمية سالبة.

تطبيقات القانون الأول للديناميكا الحرارية

يوجد كثير من التطبيقات للقانون الأول للديناميكا الحرارية في الحياة اليومية ومنها الثلاجات والمكيفات والمضخات الحرارية. ويعتبر محرك السيارة واحد من التطبيقات العملية لعلم الديناميكا الحرارية حيث تحويل الطاقة من الصورة الحرارية الي الصورة الميكانيكية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

نال القانون الثاني للديناميكا الحرارية اهتمام كثير من العلماء والذي يصف التغيرات التي تحدث بأي نظام وخاصة التغيرات التلقائية وغير تلقائية.

أمثلة علي التغيرات التلقائية والغير تلقائية

مثال 1

عندما يبرد الجسم الساخن فإنه يحدث بشكل تلقائي، بينما عملية تحويل الجسم البارد إلى ساخن لا يحدث بشكل تلقائي إنّما نحتاج إلى طاقة لتسخينه.

مثال 2 

عندما نضع غاز في مكان فارغ فإن هذا الغاز يتمدد ولكن لا يحدث العكس أي أن الغاز لا يتقلص بشكل تلقائي عند وضعه في إناء فارغ.

مثال 3

عند تفاعل المواد الكيميائية مع بعضها البعض فإن هذه التفاعلات تذهب إلى حالة الاتزان ولا يحدث العكس.

قد وجد أكثر من صيغة لهذا القانون فكل عالم وصف القانون الثاني للديناميكا الحرارية بصيغة تختلف عن غيره، ولكن جميعهم لهم نفس المعني. يوجد ثلاث صيغ من القانون الثاني للديناميكا الحرارية وهم :

الصيغة الأولي

لا يمكن أن تنتقل كمية من الحرارة من جسم بارد الي جسم ساخن إلا عن طريق بذل شغل من الخارج، هذه الصيغه تهتم بانتقال الحرارة.

الصيغة الثانية

تتزايد إنتروبيا أي نظام معزول مع الوقت، وتميل الانتروبيا لكي تصل الي نهاية عظمي سواء في النظام المعزول أو في الكون. وتتضمن هذه الصيغه إنتروبيا النظام. سيتم توضيح الإنتروبيا فيما بعد.

الصيغة الثالثة

تنص علي أن من المستحيل تحويل الطاقة الحرارية بأكملها الي شغل بواسطة عملية دورية، تتضمن هذه الصيغة تحول الطاقة الحرارية الي شغل.

ينتج عن ذلك أن ” أنتروبية نظام معزول لا يمكن أن تنخفض ” ويوضح القانون الثاني أن العمليات الطبيعية التلقائية تزيد من إنتروبية النظام.

الإنتروبيا

هي مقياس لهرجلة النظام أي ” عدم انتظامه ” .

القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتعامل مع الحرارة والضغط والإنتروبيا والاتجاه الذي يسير فيه عملية من العمليات الحرارية.

ينص القانون الثاني علي:-

عدم إمكانية انتقال الحرارة من جسم بارد الي جسم ساخن ولكن العكس هو الصحيح أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن الي الجسم البارد.

الطاقة المركزه الموجودة في نظام معزول تنتشر وتتوزع فيه بالتساوي مع مرور الزمن .

ولذلك انتشار الطاقة في نظام يعني ان تميل الاختلافات في تركيز الطاقة ان تختفي بمرور الوقت ،فتتساوي درجة الحرارة، ويتساوي الضغط ، وتتساوي الكثافة. وهكذا الانتروبيا أحد هذه الخصائص يمكن أخذها مقياس لانتشار الطاقة أو الحرارة. ولذلك القانون الثاني يتعلق بالانتروبيا.

طبقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية بالنسبة الي عملية العكوسية تكون كمية الحرارة δQ الداخلة النظام مساوية لحاصل ضرب درجة الحرارة T في تغير الانتروبيا dS :

\delta Q = TdS\,

الانتروبيا هي مقياس لعدم النظام في النظام (مقياس الهرجلة).

النتائج التي حصلنا عليها من القانون الثاني للديناميكا الحرارية:-

  • لا يمكن بناء أي آلة تعمل بحركة أبدية.
  • لا يوجد تغير تلقائي ينقل الحرارة من الجسم البارد الي الجسم الساخن أو الجسم البارد يصبح ساخن بشكل تلقائي.
  • جميع العمليات التي تحدث فيها خلط بين نظامين أو أكثر تكون غير معكوسة، أي الانتروبي للخليط يكون بازدياد بشكل دائم.
  • أيضا أي عملية يوجد فيها ضياع لطاقة نتاج من الاحتكاك هي عملية غير معكوسة أيضا.

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

يهتم القانون الثالث للديناميكا الحرارية فقط بسلوك الأنظمة التي تقترب درجة حرارتها من الصفر المطلق. تستخدم معظم حسابات علم الديناميكا الحرارية الإنتروبية فقط، وهي مقدار فيزيائي لوغاريتمي يعبر عن كمية الطاقة الحرارية التي لا تقوم بعمل.

ينص القانون الثالث للحرارة الديناميكية

ينص القانون الثالث علي انه ” لا يمكن الوصول بدرجة الحرارة الي لبصفر المطلق “، «تساوي إنتروبية البلورة النقية الصفر عندما تساوي درجة حرارة البلورة الصفر المطلق (0 كلفن)» ولكن يجب أن تكون البلورة نقية خالية من الشوائب وإلا سيكون هناك اضطراب متأصل. كما لا بد أن تكون البلورة عند درجة حرارة الصفر كلفن وإلا سيكون هناك طاقةٌ حرارية في البلورة، مما يؤدي إلى اضطراب فيها.

هذا القانون يعني أنه لخفض درجة حرارة جسم لابد من بذل طاقة، وتتزايد الطاقة المبذولة لخفض درجة حرارة الجسم تزايدا كبيرا كلما اقتربنا من درجة الصفر المطلق.

توصل العلماء للوصول الي درجة 0.001 من الصفر المطلق، ولكن من المستحيل طبقا للقانون الثالث الوصول الي الصفر المطلق لان ذلك يحتاج الي طاقة كبيرة جدا

أنواع النظام الديناميكي الحراري:-

  1. النظام المفتوح : يسمح بتبادل الطاقة والمادة .
  2. النظام المغلق : يسمح بتبادل الطاقة دون المادة .
  3. النظام المعزول : لا يسمح بتبادل الطاقو ولا المادة .

اترك رد

اترك تعليق
ادخل اسمك هنا