استكشاف عالم الديناميكا الحرارية

فهرس المحتويات

• ما هي الديناميكا الحرارية؟
• أهم فروع الديناميكا الحرارية
• الخصائص الفيزيائية في الديناميكا الحرارية
• القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية
• المصادر

ما هي الديناميكا الحرارية؟

تُعنى الديناميكا الحرارية (Thermodynamics) بدراسة العلاقة بين الحرارة والطاقة وأنواعها المختلفة، وكيفية تحول الطاقة الحرارية إلى أشكال أخرى من الطاقة، بالإضافة لدراسة تأثير الطاقة الحرارية على خواص المادة. يمكن تعريفها ببساطة على أنها الطاقة المخزنة في المادة نتيجة لدرجة حرارتها، وهي تعبر عن طاقة حركة واهتزاز جزيئات المادة. لم تُعرف الحرارة كشكل من أشكال الطاقة إلا في عام 1798م، بفضل ملاحظات المهندس العسكري البريطاني بنجامين طومسون حول توليد الحرارة في مدافع، حيث لاحظ العلاقة بين الشغل المنجز والحرارة الناتجة. ثم أتى المهندس الفرنسي سعدي كارنو بمفهوم دورة المحرك الحراري ومبدأ الانعكاس عام 1824م. وأخيراً، قام العالم الألماني رودولف كلاوزيوس بتطوير هذه المفاهيم وصياغة قوانين الديناميكا الحرارية الأساسية.

أهم فروع الديناميكا الحرارية

تتكون الديناميكا الحرارية من عدة فروع رئيسية، منها:

• الديناميكا الحرارية الكلاسيكية (Classical Thermodynamics): تحليل سلوك المواد باستخدام نهج تجريبي، مع الأخذ بعين الاعتبار عوامل مثل درجة الحرارة والضغط لتحديد خصائص المادة.
• الديناميكا الحرارية الإحصائية (Statistical Thermodynamics): دراسة سلوك كل جزيء على حدة، وكيفية تفاعله مع الجزيئات الأخرى لفهم سلوك المجموعة ككل.
• الديناميكا الحرارية الكيميائية (Chemical Thermodynamics): دراسة العلاقة بين الحرارة والشغل في التفاعلات الكيميائية وتغيرات حالات المادة.
• الديناميكا الحرارية للتوازن (Equilibrium Thermodynamics): دراسة تحولات الطاقة والمادة عندما تقترب من حالة التوازن.

الخصائص الفيزيائية في الديناميكا الحرارية

تُعرف الخاصية الفيزيائية في الديناميكا الحرارية بأنها أي خاصية قابلة للقياس، تُستخدم لوصف حالة النظام. تقسم هذه الخصائص إلى نوعين رئيسيين:

• الخصائص الشاملة (Extensive properties): تعتمد قيمتها على كمية المادة، مثل الحجم والكتلة والطاقة الداخلية.
• الخصائص المكثفة (Intensive properties): لا تعتمد قيمتها على كمية المادة، مثل درجة الحرارة والضغط والكثافة.

تُشتق الخصائص المحددة للمادة من الخصائص الشاملة والمكثفة، مثل كثافة الماء التي تُعتبر خاصية مكثفة، لكنها تُشتق من الكتلة والحجم (الخصائص الشاملة). وتُسجل هذه الخصائص في جداول مرجعية للمواد المختلفة.

القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية

تستند الديناميكا الحرارية على ثلاثة قوانين أساسية:

• القانون الصفري: يصف مبدأ التوازن الحراري، حيث تسعى طاقة النظام الداخلية إلى الانتشار بالتساوي في جميع أنحاء النظام. مثال: عند تسخين الماء، ترتفع درجة حرارة كل الماء في الإناء رغم أن الحرارة مصدرها قاع الإناء فقط.
• القانون الأول (قانون حفظ الطاقة): ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، بل تتحول من شكل إلى آخر. الطاقة الإجمالية للنظام (الطاقة الحركية + طاقة الوضع) تساوي الشغل المنجز مطروحاً من الحرارة المضافة.
• القانون الثاني: يحدد كيفية انتقال الطاقة، حيث من المستحيل نقل كل الطاقة من جزء من النظام إلى آخر. هناك ميل دائم لفقدان الطاقة (القصور الحراري أو الإنتروبيا). مثال: في محركات السيارات، يُهدر جزء من طاقة البنزين أثناء الاحتراق بسبب الإنتروبيا.

تشرح الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحركية والوضع مع الحرارة والشغل، وهذا ما يعرف بالنظرية الحركية للغازات، لكن هذه المفاهيم تُطبق أيضاً على المواد الصلبة والسائلة. تشمل أمثلة انتقال الحرارة: التلامس الحراري، التوازن الحراري، التمدد والتقلص الحراري، التوصيل الحراري، الحمل، الإشعاع، والعزل.

المصادر

المصادر المستخدمة في إعداد هذا المقال: [ستُضاف المراجع هنا عند توفرها]